Запуск ракеты. Наш ближайший звёздный сосед. Шоу Netflix. У всех этих вещей есть кое-что общее: им приходится бороться с «задачей трёх тел». Но что именно представляет собой эта непростая головоломка физики?
Задача трёх тел описывает систему, содержащую три тела, которые оказывают гравитационное воздействие друг на друга. И хотя это может показаться простым, это общеизвестно сложная задача и «первая реальная забота Ньютона», — рассказал Live Science Билли Куорлз (Billy Quarles), специалист по планетарной динамике из Государственного Университета Валдоста в Джорджии.
В системе, состоящей всего из двух тел, такой как планета и звезда, вычислить, как они будут двигаться друг вокруг друга, довольно просто: большую часть времени эти два объекта будут вращаться примерно по кругу вокруг своего центра масс, при этом они каждый раз будут возвращаться в исходную точку. Но добавьте третье тело, например, ещё одну звезду, и всё станет намного сложнее. Третье тело притягивает два орбитирующих вокруг себя тела, вытягивая их из их предсказуемых траекторий.
Движение трёх тел зависит от их исходного состояния — их положения, скорости и массы. Если хотя бы одна из этих переменных изменится, результирующее движение может стать совершенно другим.
«Я вижу это, как если бы вы шли по гребню горы, — рассказал в интервью Live Science Шейн Росс (Shane Ross), прикладной математик из Технологического института Вирджинии. — С небольшим изменением вы можете либо упасть направо, либо упасть налево. Это две очень близкие начальные позиции, и они могут привести к совершенно разным состояниям.»
По словам Росса, ограничений на движение тел недостаточно для решения задачи трёх тел с помощью уравнений.
Но некоторые решения задачи трёх тел всё же были найдены. Например, если начальные условия подходящие, три тела одинаковой массы могут двигаться друг за другом по схеме восьмёрки. Однако такие аккуратные решения являются исключением, когда речь идёт о реальных системах в космосе.
Определённые условия могут облегчить анализ задачи трёх тел. Рассмотрим Татуин, вымышленный родной мир Люка Скайуокера (Luke Skywalker) из «Звёздных войн» — единственную планету, вращающуюся вокруг двух солнц. Эти две звезды и планета составляют систему трёх тел. Но если планета находится достаточно далеко и вращается вокруг обеих звёзд сразу, проблему можно упростить.
«Когда речь идёт о Татуине, пока вы находитесь достаточно далеко от центральной двойной системы, вы можете рассматривать этот объект как очень крупную звезду», — говорит Куорлз.
Планета не оказывает большого воздействия на звёзды, поскольку она гораздо менее массивна, поэтому система становится похожей на более легко решаемую задачу двух тел. На данный момент учёные нашли более дюжины экзопланет, похожих на Татуин, рассказал Куорлз.
Но зачастую орбиты трёх тел никогда по-настоящему не стабилизируются, и задача трёх тел «решается» с треском. По словам Куорлза, гравитационные силы могут вызвать столкновение двух из трёх тел или навсегда выбросить одно из тел из системы — возможный источник «планет-бродяг», которые не вращаются вокруг какой-либо звезды. Фактически, хаос трёх тел может быть настолько распространённым в космосе, что, по оценкам учёных, планет-бродяг может быть в 20 раз больше, чем звёзд в нашей галактике.
Когда всё остальное не помогает, учёные могут использовать компьютеры для аппроксимации движений тел в отдельной системе трёх тел. Это позволяет предсказать движение ракеты, запущенной на орбиту вокруг Земли, или предсказать судьбу планеты в системе с несколькими звёздами.
При всей этой суматохе вы можете задаться вопросом, сможет ли что-нибудь выжить на планете, подобной той, что показана в шоу от Netflix под названием «Проблема трёх тел», которая — внимание, спойлер — заперта на хаотичной орбите вокруг трёх звезд в системе Альфа Центавра, ближайшем соседе нашей солнечной системы.
«Я не думаю, что в такой ситуации это стабильная среда для развития жизни», — сказал Росс.
Это один из аспектов сериала, который строго остаётся в области научной фантастики.
