Велика проблема для фізиків: що таке задача трьох тіл і чи можна її взагалі вирішити

Задачу трьох тіл, справжній головний біль для фізиків, дуже складно вирішити. Цього року увагу до цієї фізичної головоломки привернув фантастичний серіал з однойменною назвою від Netflix. Але що з себе представляє задача трьох тіл і невже її неможливо вирішити? Про це пише Live Science.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Задача трьох тіл — що це?

Задача трьох тіл описує систему, що складається з трьох тіл, які чинять гравітаційний вплив одне на одне. За словами Білла Куорзла з Університету Валдоста, штат Джорджія, США, незважаючи на стільки простий опис, уже кілька століть ця задача є великою проблемою для фізиків.

Якщо система складається з двох тіл, наприклад, зірки та планети, то обчислити, як вони рухатимуться одне навколо одного, досить просто. Найбільше часу ці об'єкти обертатимуться приблизно по колу навколо свого центру мас і щоразу повертатимуться до того, з чого почався рух. Якщо в систему додати третє тіло, наприклад, другу зірку, то ситуація стане складнішою. Третій об'єкт чинитиме гравітаційний вплив, по суті, притягуватиме їх, на два обертових об'єкти, що обертаються один навколо одного. У цьому разі їхні орбіти виявляються непередбачуваними.

Рух трьох тіл залежить від їхнього початкового стану, тобто положення в просторі, швидкості руху і маси об'єктів. Якщо один із цих параметрів змінити, то рух у результаті може бути зовсім іншим.

Шейн Росс із Технологічного інституту штату Вірджинія, США, порівнює подібну ситуацію з переміщенням людини по вершині гірського хребта. Одна невелика зміна може призвести до падіння або вправо, або вліво. За словами Росса, обмежень на рух тіл недостатньо для розв'язання задачі трьох тіл за допомогою рівнянь.

Можливі рішення задачі трьох тіл

Але деякі рішення задачі трьох тіл були знайдені. Наприклад, якщо початкові умови відповідні, три тіла з однаковою масою можуть переслідувати одне одного за схемою вісімки. Але таке рішення є винятком, коли йдеться про реальні системи в космосі.

Певні умови можуть полегшити аналіз задачі трьох тіл. Наприклад, уявіть собі планету, яка обертається навколо двох зірок. У цьому випадку ми маємо систему з трьох тіл. Якщо планета знаходиться далеко від зірок і обертається навколо обох зірок одночасно, то це спрощує задачу.

За словами Куорзла, в даному випадку планета обертається здається навколо однієї, але величезної зірки. Планета не може чинити сильного гравітаційного впливу на дві зірки, адже у неї недостатньо маси. Тому ця система стає схожою на систему з двох тіл, а значить вирішити завдання легше. На сьогоднішній день астрономи вже виявили понад 10 подібних планет за межами Сонячної системи.

Але часто орбіти трьох тіл ніколи по-справжньому не стабілізуються, і задачу трьох тіл вирішити неможливо. Гравітаційний вплив може призвести до зіткнення двох із трьох тіл системи або ж назавжди викинути планету з цієї системи. Саме так, можуть виникати так звані вільно плаваючі планети, які наповнюють космос і не обертаються навколо жодної зірки.

Іноді для розв'язання проблеми із системою трьох тіл науковці використовують комп'ютерне моделювання, щоб приблизно показати рух тіл в окремій системі з трьох тіл. Це дає змогу передбачити рух ракети-носія, яку запущено на орбіту Землі, або передбачити долю планети в системі з кількома зірками.

Серіал від Netflix: чого не може бути?

При цьому може виникнути запитання: чи можливе життя на планеті, яку було показано в серіалі "Завдання трьох тіл", що обертається хаотичною орбітою навколо трьох зірок у системі Альфа Центавра? Це найближча до нас зоряна система. За словами Росса, на такій планеті навряд чи існує стабільне середовище для розвитку життя. Тому цей аспект серіалу точно належить до наукової фантастики.

Як уже писав Фокус, нещодавно біля Землі було помічено явище, що суперечить фізиці. При зближенні з нашою планетою у зеленої комети виріс другий хвіст.

Також Фокус писав про те, що попри припущення фізиків, невловима темна матерія поводиться не так, як передбачається. На це вказують результати недавнього дослідження.