Задача трех тел: как работает одна из самых сложных головоломок в физике

За запуском ракет, нашим ближайшим звездным соседом Альфа Центавра и сериалом Netflix кроется одна общая загадка — «задача трех тел» . Что же представляет собой этот физический ребус?

Задача трех тел описывает систему, содержащую три объекта, притягивающих друг друга гравитационными силами. Хоть она и может показаться простой, это одна из самых сложных головоломок в физике — «первая настоящая головная боль Ньютона», как выразился планетолог Билли Куорлз из Университета штата Джорджия.

В системе из двух тел (например, планеты и ее звезды) расчет движения объектов относительно прост: в большинстве случаев они будут вращаться вокруг общего центра масс, периодически возвращаясь в исходную точку. Но добавление третьего тела, например, второй звезды, полностью меняет ситуацию. Третье тело притягивает два первых, выводя их из предсказуемых траекторий.

Движение трех объектов зависит от их начальных положений, скоростей и масс. Даже небольшое изменение одной из переменных может привести к совершенно иному сценарию. «Это похоже на прогулку по гребню горы — одно неверное движение, и вы падаете вправо или влево» — поясняет Шейн Росс, специалист по прикладной математике из Технологического университета Вирджинии.

По словам Росса, полностью решить проблему трех тел аналитически, с помощью математических уравнений, невозможно из-за множества переменных. При этом для некоторых идеализированных случаев точные решения все же были найдены. К примеру, если задать очень специфические начальные условия движения для трех тел строго одинаковой массы, их траектории будут описывать правильную восьмерку. Но такая упорядоченная ситуация — скорее исключение, нежели норма, когда мы имеем дело с реальными хаотичными космическими системами, где действуют сложные гравитационные влияния.

Есть и другие варианты. Рассмотрим вымышленную планету Татуин из «Звездных войн» — единственную планету, вращающуюся вокруг двух солнц. Эти две звезды и планета составляют систему трех тел. Но, если планета находится достаточно далеко и орбитально связана с обеими звездами одновременно, задачу можно упростить.

«В случае с Татуином, если вы достаточно далеко от центральной двойной системы, то можно рассматривать ее как одно очень массивное тело», — объясняет Куорлз. Поскольку планета значительно менее массивна, чем звезды, она почти не влияет на них гравитационно, и система приближается к более простой задаче двух тел. На сегодня ученые обнаружили более дюжины экзопланет, подобных Татуину.

Зачастую орбиты трех тел так и не достигают полной стабильности, и «решение» проблемы наступает в результате столкновения. Под воздействием гравитационных сил два из трех тел могут слиться воедино, либо одно из них может быть выброшено из системы безвозвратно. «Выброшенные» объекты, не вращающиеся вокруг звезды, принято называть «блуждающими планетами». По оценкам ученых, количество таких «бродяг» может в 20 раз превышать число звезд в нашей Галактике.

Когда аналитические методы не работают, ученые прибегают к компьютерному моделированию для приближенных расчетов движения тел в конкретных тройных системах. Это позволяет предсказывать траектории космических аппаратов на орбите вокруг Земли или судьбу планет, вращающихся вокруг нескольких звезд.

Со всеми этими хаотическими перипетиями невольно задаешься вопросом: разве на планете, подобной той, что представлена в сериале «Задача трех тел» от Netflix, может существовать жизнь? В шоу неназванная планета зажата в хаотической орбите сразу трех звезд системы Альфа Центавра — нашего ближайшего звездного соседа.

«Я не думаю, что в такой ситуации возможна стабильная среда для эволюции жизни», — заключает Росс. Этот аспект шоу, похоже, все-таки остается в области научной фантастики.

Как видно, хотя проблема трех тел и формулируется просто, ее решение зачастую ведет к запутанным и непредсказуемым последствиям. Неудивительно, что она по-прежнему остается головоломкой для физиков, астрономов и разработчиков космических миссий по всему миру.