Хаотична ли Солнечная система?

Проявляется ли хаос в движении внешних планет-гигантов в Солнечной системе? Долгое время два разных метода расчета давали противоположные ответы. Американский исследователь, по-видимому, разрешил этот парадокс.
На масштабах в миллионы лет движение внешних планет Солнечной системы может быть хаотичным (изображение с сайта www.windows.ucar.edu).
На масштабах в миллионы лет движение внешних планет Солнечной системы может быть хаотичным (изображение с сайта www.windows.ucar.edu).
Точность, с которой астрономы могут предсказывать солнечные затмения и движение планет, наводит на мысль, что динамика крупных тел в Солнечной системе абсолютно предсказуема. На самом деле это впечатление обманчиво. Регулярным движение планет кажется лишь в тысячелетнем масштабе, но, когда счет идет на миллионы лет, в их динамику вполне может вмешаться хаос.

В случае движения планет Солнечной системы хаос, к счастью, не означает, что планеты будут двигаться совсем уж беспорядочно. Их орбиты будут лежать примерно в том же районе, где и сейчас. Хаотическое движение планеты на масштабе времени T означает только, что вы не сможете вычислить хотя бы приблизительное положение планеты на орбите через промежуток времени, в несколько раз больший, чем T.

Является ли движение планет в Солнечной системе регулярным и хаотическим, выясняется с помощью численных расчетов. Прибегать к ним приходится потому, что в случае более чем двух гравитационно взаимодействующих тел не существует аналитической формулы, в которую можно было бы подставить время и сразу получить положение тел в любой момент времени (см., например, популярную статью Задача трех тел и ее точные решения).

Гравитационные силы, притягивающие планеты к Солнцу и друг к другу, известны, поэтому можно задать начальные положения и скорости планет и запустить моделирование их движения в течение какого-то промежутка времени. Параллельно с этим запускается второе моделирование, в котором всё то же самое, только начальные данные отличаются на незначительную величину, например всего на 1 миллиметр. Вначале орбиты планет в этих двух ситуациях будут с огромной точностью совпадать, но постепенно, с ходом времени, они начнут всё сильнее и сильнее различаться. Для регулярного (нехаотического) движения это различие будет оставаться небольшим, в то время как для хаотического движения — экспоненциально увеличиваться со временем.

Вычисления такого рода для разных планет Солнечной системы уже давно были проделаны несколькими группами. Они, в частности, доказали, что движение Плутона становится хаотичным на временах порядка 10-20 миллионов лет из-за специфического резонансного взаимодействия с другими планетами. Динамика внутренней Солнечной системы, которая включает первые четыре планеты от Солнца — Меркурий, Венеру, Землю и Марс, — тоже хаотична на масштабе 4-5 миллионов лет, правда в этом случае причина хаоса пока не известна.

А вот выяснение этого вопроса для планет-гигантов во внешней Солнечной системе (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) неожиданно зашло в тупик. Расчеты одной группы (движение четырех больших планет в них учитывалось точно, а вращение внутренних планет Солнечной системы просто усреднялось) показали, что хаоса нет, по крайней мере в течение первого миллиарда лет. Вычисления другой группы — в них честно рассчитывалось движение всех планет — исправно «видели» хаос.

Правда, при небольшой вариации параметров его временной масштаб постоянно прыгал в широком диапазоне, и причины, вызывавшие такую изменчивость, были непонятны. Одно время было ощущение, что хаос в этом случае — просто артефакт численных расчетов, но после тщательных проверок сходимости эту мысль пришлось оставить. Таким образом, к настоящему времени сложилась почти парадоксальная ситуация: имеются одинаково надежные расчеты, свидетельствующие как о том, что хаос в движении внешних планет есть, так и о том, что его нет.

Разобраться с этой ситуацией попробовал Уэйн Хэйес (Wayne Hayes) из Калифорнийского университета в Ирвайне (США). В своей статье, опубликованной недавно в журнале Nature Physics, он пришел к интересному выводу — всё дело в погрешности начальных данных.

Начальные данные для этих вычислений — положение и скорости дальних планет — берутся из астрономических наблюдений и известны сейчас с относительной погрешностью чуть лучше одной миллионной. Это может показаться очень высокой точностью, но, как выяснил автор, даже в этих пределах встречаются и регулярные, и хаотические ситуации, и более того — они перемешаны. Для доказательства автор взял 31 набор параметров орбит, все из которых лежат в пределах наблюдательных погрешностей. В пределах интервала моделирования в 200 миллионов лет 21 из них оказались хаотическими, а 10 — регулярными.

Иными словами, если взять наугад какие-нибудь начальные данные в этих пределах, то они могут с какой-то вероятностью получиться регулярными, а с какой-то — хаотическими. Именно в этом кроется, по мнению автора, расхождение между расчетами разных групп. А какой ситуации отвечает реальность, при сегодняшнем уровне знаний сказать нельзя.

На самом деле, эта работа не только предлагает ответ на давнюю загадку, но и ставит перед физиками новые вопросы. Совершенно непонятно, откуда возникает такая тонкая структура в хаосе — то есть такое тщательное перемешивание регулярных и хаотических ситуаций. Никакие известные резонансные явления в динамике внешних четырех планет объяснить это пока не могут. Не исключено, что в конце концов окажется, что резонансный механизм порождения хаоса вообще не сможет описать эти результаты, и тогда динамика Солнечной системы поставит перед теорией динамических систем уже вопросы не прикладного, а фундаментального характера.

   
автор: Игорь Иванов
Кроме того...
История 8 марта
Все началось в начале весны 1857 года, когда текстильщицы Нью-Йорка прошли "маршем пустых кастрюль" по Манхэттену. Они требовали повышения...
Катастрофа планетарного масштаба
Две большие планеты столкнулись между собой, образовав единое космическое тело. И произошло это, по звёздным меркам, буквально вчера – несколько...
Гелиофизики нашли на Солнце гигантского трилобита
"Мы никогда не видели ничего похожего на это", — призналась потрясённая Лика Гухатакурта (Lika Guhathakurta),...
  • Текущие обсуждения статей
Бионическая рука-протез
Телепортация - фантастика или реальность?
Ученые вывели формулу удачи
Смех не лечит раковых больных
Приливы и отливы вызывают сейсмические колебания
Нью-Йорк и Лос-Анджелес уйдут под воду к 2015-му году
Посмотреть весь форум

  • поиск статей на сайте
Введите фразу, слово или часть слова
Темы этого номера
От микрочипов – к наночипам
От микрочипов – к наночипам От микрочипов – к наночипам
Технология визуализации поверхности, известная как метод зонда Кельвина, в сочетании с методом dip-pen нанолитографии дает возможность успешного использования ДНК-наночипов
Японские автопроизводители разрабатывают новую конструкцию водородных двигателей
Японские автопроизводители разрабатывают новую конструкцию водородных двигателей Японские автопроизводители разрабатывают новую конструкцию водородных двигателей
Автоконцерн Mazda сегодня сообщил о создании новой технологии автомобильных катализаторов, используемых в перспективных водородных топливных элементах, которые в самое ближайшее время начнут внедряться в автомобили
Ученые успешно испытали лазер для борьбы с вирусами
Ученые успешно испытали лазер для борьбы с вирусами Ученые успешно испытали лазер для борьбы с вирусами
Инактивация вирусов с помощью фемтосекундных лазеров открывает новые возможности в лечении инфекционных заболеваний
Японцы создали запрыгивающего робота
Японцы создали запрыгивающего робота Японцы создали запрыгивающего робота
Инженеры из Токийского университета (University of Tokyo) создали робота, умеющего прыгать
Коньки скрестили с утюгом
Коньки скрестили с утюгом Коньки скрестили с утюгом
Поступили в продажу хоккейные коньки с подогревом
Начат приём заказов на феноменально экономичный Aptera
Начат приём заказов на феноменально экономичный Aptera Начат приём заказов на феноменально экономичный Aptera
Компания Aptera Motors начала приём предварительных заказов на свой экзотический трёхколёсный аппарат, способный побить любой серийный автомобиль по экономичности
В Швеции создали аппарат, отключающий электричество у шумных соседей
В Швеции создали аппарат, отключающий электричество у шумных соседей В Швеции создали аппарат, отключающий электричество у шумных соседей
В Швеции разработан аппарат, который отключает электричество у соседа в случае, если он слушает музыку или телевизор на полной громкости
Солнечная буря оторвала комете хвост
Солнечная буря оторвала комете хвост Солнечная буря оторвала комете хвост
Космическими обсерваториями STEREO было зарегистрировано столкновение между материалом солнечного коронарного выброса и веществом из хвоста кометы
Сингулярность в чистом виде работает как сильная линза
Сингулярность в чистом виде работает как сильная линза Сингулярность в чистом виде работает как сильная линза
Британские и американские учёные обнаружили, что сингулярность в чистом виде будет работать в качестве очень сильного увеличительного стекла
Хаотична ли Солнечная система?
Хаотична ли Солнечная система? Хаотична ли Солнечная система?
Проявляется ли хаос в движении внешних планет-гигантов в Солнечной системе? Долгое время два разных метода расчета давали противоположные ответы. Американский исследователь, по-видимому, разрешил этот парадокс
Японский лунный аппарат сделал фотографии Земли с расстояния 110 000 км
Японский лунный аппарат сделал фотографии Земли с расстояния 110 000 км Японский лунный аппарат сделал фотографии Земли с расстояния 110 000 км
Первый в Японии лунный аппарат снял Землю с использованием камер высокой четкости изображения
32 оттенка человеческой расы
32 оттенка человеческой расы 32 оттенка человеческой расы
Большинство народов мира – результат разнообразных (в течение многих тысячелетий) контактов, смешений, взаимовлияний. Соответственно, то же самое можно сказать о большинстве из живущих на нашей планете людей
Темный шоколад против синдрома хронической усталости
Темный шоколад против синдрома хронической усталости Темный шоколад против синдрома хронической усталости
Группа специалистов из Медицинской школы Халла и Йорка (Hull York Medical School), Великобритания, под руководством профессора эндокринологии Стива Аткина (Steve Atkin), пришла к выводу
Болезнь Альцгеймера щадит добропорядочных и образованных
Болезнь Альцгеймера щадит добропорядочных и образованных Болезнь Альцгеймера щадит добропорядочных и образованных
Добропорядочные люди с высокой степенью самоконтроля, ведущую размеренную жизнь, меньше подвержены риску развития болезни Альцгеймера
Каменные "летающие тарелки" в Китае
Каменные "летающие тарелки" в Китае Каменные "летающие тарелки" в Китае
В Китае нашли загадочные каменные "летающие тарелки"
Инки откармливали детей перед жертвоприношением
Инки откармливали детей перед жертвоприношением Инки откармливали детей перед жертвоприношением
Антропологи из британского университета Брэдфорда смогли восстановить ритуалы
Ученые спорят, что ждет планету – глобальное потепление или похолодание
Ученые спорят, что ждет планету – глобальное потепление или похолодание Ученые спорят, что ждет планету – глобальное потепление или похолодание
Погода в очередной раз сошла с ума. На территории Центральной России стоит небывалая осенняя жара. Метеорологи ждут нового температурного рекорда. А ученые отмечают: вполне возможно
Саблезубые кошки обладали слабым укусом
Саблезубые кошки обладали слабым укусом Саблезубые кошки обладали слабым укусом
Саблезубая кошка (Smilodon fatalis), иногда неправильно называемая тигром, обладала сравнительно слабым укусом, что, впрочем, не мешало ей быть сильным и опасным хищником
10 изобретений Леонардо да Винчи, с которыми стало легче жить
10 изобретений Леонардо да Винчи, с которыми стало легче жить 10 изобретений Леонардо да Винчи, с которыми стало легче жить
Величайший ученый своего времени, Леонардо да Винчи обогатил проницательными наблюдениями и догадками почти все области знания. Но как удивился бы гений, узнай он
Шасси для синтетической жизни
Шасси для синтетической жизни Шасси для синтетической жизни
«Геномный колдун» Крейг Вентер хочет запатентовать живой организм

 
  • Главные темы / архив
№082текущий номер Технологии
Биоклиматическое здание
    

    

    

    

    

 
  • Человек
  • Планета Земля
  • История изобретений
  • Чёрный ящик
  • Воля случая
  • Технологии
  • Техника
  • Космос
039