Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»


ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке



Библиотека

 
Ф. Вильчек
«Красота физики». Глава из книги


Дж. Бэрроу
«История науки в знаменитых изображениях». Глава из книги


Ж. Резникова
И даман поманил за собой


В. Сурдин
Поиски новых планет


С. Горбунов
Сeratotherium simum cottoni. Последний из могикан


Д. Никифоров и др.
ЭКО: длинная история короткой встречи


А. Никонов
Небывалое бедствие в селе Кашкаранцы


Л. Сасскинд, Дж. Грабовски
«Теоретический минимум». Глава из книги


А. Сергеев, А. Благодатский
Насекомые и бионика: загадки зрительного аппарата


Л. Смолин
«Возвращение времени». Глава из книги







Главная / Новости науки версия для печати

Хаотична ли Солнечная система?


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)

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.

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.

Источник: Wayne B. Hayes. Is the outer Solar System chaotic? (текст полностью) // Nature Physics. Published online: 23 September 2007; doi:10.1038/nphys728. Текст статьи свободно доступен в архиве е-принтов: astro-ph/0702179.

Игорь Иванов


Комментарии (34)



Последние новости: МатематикаАстрономияИгорь Иванов

27.04
Теоретики продолжают искать объяснения двухфотонному пику
6.04
Обнаружен первый рентгеновский пульсар в галактике Андромеды
1.04
Обнаружены коллективные эффекты в поведении физиков-теоретиков
23.03
Загадочный двухфотонный пик проступает всё сильнее
7.03
9 марта 2016 года — полное солнечное затмение
29.02
Метрика Карла Шварцшильда: предыстория, история и часть постистории
11.02
Гравитационные волны — открыты!
9.02
Сверхъяркие спиральные галактики — недостающее звено в теории эволюции
26.01
Джордж и его команда: к 70-летию горячей модели Вселенной
21.01
«На кончике пера» открыта трансплутоновая планета размером с Нептун


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия