Всем привет, народ!
Это подкаст Звездануло, в котором я перевожу науку на человеческий язык.
Вот вам Ютубчик:
И Яндекс.музыка:
Сегодня я решил немножко снизить планку ожидания от астрофизиков. Мы же их как себе представляем? Крутые ребята, которые могут рассчитать, как запустить в космос, скажем, Теслу, или такие, которые точно знают, как проложить курс до ближайшей черной дыры, или эдакие крутые ребята, которые отбирают статус планеты у огромной каменюки на окраине звездной системы. Хотя, есть и другие мнения.
С одной стороны, да – ребята безусловно крутые, но бывают такие задачи, которые ставят этих мегамозгов в тупик.
Понятно, что, скажем, точная оценка количества всех звёзд в нашей галактике, или, скажем, масса черной дыры – задачи страшные, сложные и мы это понимаем.
Но есть одна задача, которая кажется простецкой, но до сих пор нет универсального решения. И тут, скорее всего, проблема в том, что мы не даём понимания всей сложности задачи.
Это задача трёх тел. Круто звучит, да? Как будто стандартная задачка по физике класса эдак 8-9. В общем, давайте я сначала расскажу, в чем она заключается.
Будет вернее сказать, что это класс плюс-минус однотипных задач.
И заключаются они в описании того, как двигаются всего-навсего три небесных тела относительно друг друга под действием собственной гравитации. Впервые её, кажется, сформулировал и описал сэр Исаак Ньютон. Он пытался вывести формулу, описывающую движение Луны вокруг Земли с учётом того, что Земля сама движется вокруг Солнца.
Про систему из двух тел уже всё было более-менее понятно. Кеплер предложил законы движения планет и на том плюс-минус задача двух тел была закрыта.
Собственно, при добавлении всего-навсего одного тела, мы получаем дикий хаос, который невозможно как-то адекватно систематизировать.
Бились над этой задачей всем миром и продолжают биться по сей день. Первые три решения нашёл Леонард Эйлер. И решения ни разу не были общими. При том, что движение рассматривалось по прямой. То есть, для физики даже это оказалось проблемой.
Потом потихоньку народ начал наседать на это дело. Следующие два решения нашёл Лагранж. Думаю, что те, кто слышал про телескоп имени Джеймса Уэбба, понимают, о каких решениях я говорю.
Это как раз решение, показывающее точки Лагранжа. Они показывают, где именно тело с маленькой массой не будет падать на любое из двух других очень массивных тел и будет оставаться неподвижным относительно них. То есть, они показывают точки, в которых гравитация Солнца и Земли и центробежные силы не будут перетягивать, скажем так, спутник, массой которого можно пренебречь в сравнении с Солнцем и Землёй. И в которых этот спутник не будет двигаться. Таких точек всего пять. И первые три, как мне кажется, должны называться точками Эйлера. Потому что они как раз показывают такие точки равновесия для третьего тела, которые находятся на одной прямой с двумя гораздо более массивными телами. Проблема в том, что эти три точки неустойчивы, скажем так.
Давайте я буду разбирать на том же примере с Землёй, Солнцем и спутником. А то мы в этих безликих телах просто запутаемся к чертям.
Итак, почему первые три точки Лагранжа считают точками неустойчивого равновесия? Потому что любое смещение спутника к Солнцу, или к Земле неизбежно приведёт к тому, что спутник-таки грохнется куда-нибудь. Или, если он-таки с краю летает, а не между голубым и желтым шариками, то улетит нафиг, как из пращи.
Ну для чего-то же эти точки открыли, зачем-то же они нам могут понадобиться? Ага.
Смотрите, у нас есть три варианта, как поставить в одну линию спутник, Землю и Солнышко. Итак, первая точка Лагранжа – это точка между Землёй и Солнцем. В неё удобно запускать телескопы для наблюдений за Солнцем – Земля никогда не заслонит нам объектив. Собственно, там уже работало и продолжает работать какое-то количество аппаратов, которые следят за нашей звездой. Ну и для фантазёров, мечтателей, энтузиастов и какие там ещё к Илону Маску сейчас есть синонимы, это удобная точка для того, чтобы обеспечивать всякие транспортные задачи между Луной и Землёй. Если сейчас какая-нибудь служба доставки застолбит себе эту идею – мы вполне можем перекусить какими-нибудь запеченными роллами на Луне через некоторое количество лет. Сырые я бы поостерёгся кушать. Путь всё же неблизкий.
Первая точка Лагранжа как раз показывает равновесие, скорее, гравитационных сил. То есть, это точка, в которой Солнце и Земля одинаково тянут спутник, так что он остаётся на одной точке.
Вторая точка показывает картинку Солнце-Земля-Спутник, а третья – Спутник-Солнце-Земля. То есть, это точки, в которых спутник где-то с краю.
И вот здесь как раз уже гравитация Солнца и Земли уравновешивает центробежную силу. Ту, которая придавливает вещи в стиральной машинке к стенке барабана.
Вторая точка Лагранжа находится снаружи от двух массивных тел, за менее массивным из них. То есть, за Землей, как я уже говорил. Логично, что туда стоит отправлять телескоп, который будет изучать глубокий космос. Там ведь Земля будет закрывать Солнце. Собственно, во второй точке Лагранжа у нас работает Джеймс Уэбб с ещё несколькими не так хорошо распиаренными обсерваториями. Телескоп Джеймс Уэбб - самый мощный космический телескоп, у него самое крупное зеркало, а точнее – система зеркал. У него, кажется, 18 шестиугольных зеркал, которые расположены как соты в улье. Это самая оптимальная конструкция, позволяющая максимально полезно использовать любую площадь. Собственно, вышки сотовой связи примерно таким же образом покрывают местность, потому связь и названа сотовой.
Уэббу эти зеркала нужны, чтоб собирать и усиливать сигналы. Это практически как собирать 18 солнечных зайчиков на матрицу фотоаппарата. Как-то так. Кстати, Джеймсу Уэббу мало того, что Земля закрывает Солнце собой. У телескопа есть ещё и собственный многослойный солнцезащитный козырёк. Просто вторая точка Лагранжа находится не совсем в тени, а чуть дальше – в полутени. То есть, Солнце в той точке всё равно видать. Как кольцо, в середине которого темная Земля.
Ладно, если хотите, я могу отдельно запилить в рамках Звездануло выпуск про Джеймса Уэбба и в принципе телескопы. Только напишите куда-нибудь)
Вернёмся к точкам Лагранжа.
Третья точка Лагранжа находится за более массивным телом, то есть – за Солнышком. И да, Земля там имеет-таки небольшое значение и его надо учитывать.
Здесь тоже гравитация двух массивных тел уравновешивает центробежную силу, и не дает спутнику вылететь в открытый космос как из пращи.
Долгое время была распространена мысль, что в той точке находится ещё одна планета-близнец Земли. Сейчас её уже сто раз опровергли, да и тогда были существенные вопросики к этой идее.
Туда удобно засылать аппараты для наблюдения за солнышком, или для того, чтобы составить лучше карту опасных районов, скажем так, для путешествий на дальние расстояния. Разглядывать астероиды на пути к Марсу, например.п
На третьей точке Лагранжа заканчиваются варианты расположения Солнца Земли и спутника на одной прямой, так что две другие расположены в вершинах равносторонних треугольников. Первые три точки называются коллинеарными, а четвёртая и пятая – треугольными.
В общем, если мы проведём линию между Солнцем и Землёй, то у нас будет два варианта поставить куда-то точку, чтобы получился треугольник, у которого все стороны будут равны.
Да, сейчас можно выпендриться, что таких точек на самом деле дофига можно построить, но нужно понимать, что мы рассматриваем гравитацию, а значит – расположить эти точки можно только в плоскости орбиты Земли. То есть, на плоскости, а не в объеме. И вот мы вернулись к двум точкам.
Исторически их называют троянскими точками. А астероиды, которые там находятся называют по именам героев троянской войны. В зависимости от того, в четвертой, или пятой точке Лагранжа они расположены, имена даются соответствующие. Четвертая точка Лагранжа занята греками, или ахейцами, а пятая – троянцами.
Я сейчас не буду вдаваться в детали, но для максимальной устойчивости массивное тело должно быть не меньше чем в 25 раз больше второго. То есть, Солнышко должно быть в 25 раз тяжелее Земли. Тогда при смещениях система сама вернёт спутник на свое место.
Но это задачи трёх тел. А у нас в реальной жизни их гораздо больше. Например, посчитано, что в четвёртой и пятой точках Лагранжа системы Земля-Луна, спутник может продержаться несколько миллиардов лет, даже при учёте Солнышка. А вот если учитывать возмущения от других планет – то время такой устойчивости снижается до всего лишь нескольких миллионов лет.
Ну и да, для совсем зануд – я знаю про орбиты Лиссажу. Если коротко, то это орбиты вокруг точек Лагранжа, где космический аппарат может барахтаться стабильно без включения двигателей и оставаться в, так скажем, окрестностях точки Лагранжа. Просто говорить о том, что спутник двигается по орбитам Лиссажу вокруг точки Лагранжа – это довольно муторно, непонятно и вообще, нудно.
Ладно, точки Лагранжа – это только пять вариантов решения задачи трех тел. Собственно, Эйлер свои три решения описал в 1767 году, а через пять лет Лагранж накинул ещё два. И после этого был застой чуть больше, чем на сто лет.
В 1885 году шведский король учредил конкурс на решение актуальной научной проблемы. Что-то вроде Нобелевской премии. Кстати, нобелевку тоже вручают в Швеции. Кроме премии мира. Подводить итоги той премии планировалось аж в 89-м в день шестидесятилетия короля. В 1887 году Анри Пуанкаре уже месяц, или два как сосредоточился над конкурсной работой. Он понимал, что не успеет вывести общее решение, но всё же сдал свои наработки и продолжил грызть интересную задачу. В итоге, как пишет Википедия, с 1892 по 1899 он доказывает, что существует бесконечное количество частных решений задачи трёх тел. А общей какой-то формулы, извините, не нашел.
В общем, после Пуанкаре тоже был так себе период. Опять же, судя по Вики там было три значимых решения. Было одно частное решение, одно семейство траекторий и уже в 1993 году найдено решение стабильных орбит-восьмерок. Глубже искать я не стал, да и не особо нужно, честно сказать. Мы же не историки, в конце концов)
И начиная с 2013 года ученое сообщество уже как давай обсчитывать всю эту историю. На сегодняшний день известно около полутора тысяч частных решений задачи трёх тел, в общем. Понятно, что решающую роль в этом сыграл технический прогресс. Все эти наши компьютеры-суперкомпьютеры…
И что же вы думаете? Буквально в начале февраля, то есть буквально месяц назад (эпизод от 8.03.2022, если что!), мне попалась новость о том, что израильские физики выдали своё решение для задачи трёх тел. Я опишу здесь коротко, что к чему, а глубже расскажу либо в другой раз, либо идите в гугл, пока не забанили)
В общем, в этой работе авторы сделали упор не на предсказание конкретного положения этих самых трёх тел в пространстве, а на вероятностях любого результата. То есть, эта теория описывает случайные шаги вместо фактических, скажем так. Называется это «теорией случайных блужданий», или «прогулкой пьяницы» и используется уже довольно давно. Просто сейчас ребята совместили ужа с ежом и получилось то, что получилось. Работа хорошо сочетается с реальными наблюдениями и другими расчетами, так что посмотрим на дальнейшее развитие.
Как по мне, получается что-то очень похожее на электронные орбитали, как считаете? Собственно, многие мистификаторы говорят о том, что наша Вселенная – это атом в другой Вселенной. Пожалуйста, хватайте ещё один аргумент. Кажется, астрофизики начинают потихоньку считать движения небесных тел именно вероятностями, как и в случае с электронами.
Ладно, давайте к закадру, что ли.
Ставьте лайки, оценки и комментарии, подписывайтесь на бусти, поддерживайте подкаст материально, в общем - вы всё знаете!) Это очень важно для продвижения подобого контента. Даже если вам не нравится конкретно этот эпизод, или весь мой подкаст в целом, но интересна наука - ставьте лайк, чтобы бездушные машины понимали, что на науку есть спрос!)
С вами был Роман Юдаев
Услышимся в следующем выпуске.
