Калеб Шарф - Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной
Наверное, вам интересно, как вообще можно предсказать поведение системы через миллионы лет, если я сам только что сказал, что эта система по сути своей непредсказуема. Отличный вопрос. Это становится понятно, если представлять себе каждую возможную конфигурацию в будущем как бесконечный набор траекторий – примерно как бросать мячик в поле и каждый раз зарисовывать кривую, которую он описывает.
Если бы я мог каждый раз каким-то образом наносить на карту трехмерную траекторию мяча и бросил бы мяч тысячу раз, у вас получился бы толстый пучок нарисованных в пространстве изогнутых линий, похожих на проволоку. По большей части эти линии проходили бы кучно, однако по сторонам торчало бы несколько отдельных «прутьев» – они образовались бы в тех случаях, когда мяч летел более хаотично и сначала отскакивал от какой-нибудь невидимой кочки, а потом уже закатывался в траву. Если изучать только отклоняющиеся траектории и задаваться вопросом, что происходит с мячом потом, после того, как он в первый раз отскочил от земли, можно затем отобрать такие сценарии будущего, в которых мяч ожидают более интересные события.
Рис. 10. Бросаем мяч в поле.
В большинстве случаев он летит в одном и том же направлении, но иногда отскакивает в сторону, отчего закатывается в кусты или, например, разбивает кому-то окно.
Точно так же можно поступать с траекториями будущего в динамике планетной системы. Через несколько миллионов лет мы сможем отбирать те варианты сценариев, в которых орбиты планет будут обладать более экстремальными качествами, с большей вероятностью подтолкнут небесные тела слишком близко друг к другу и таким образом доведут их до беды, вместо того чтобы разнести подальше. Возможно, это будет увеличение эллиптичности орбиты и разницы между ближайшей и самой удаленной точкой орбиты. А может быть, дело в ориентации эллипсов, отчего небесные тела опять же окажутся ближе друг к другу. Мы можем собрать коллекцию подобных сценариев[124], а потом посмотреть, что произойдет с разными их вариантами в ближайшие несколько миллионов лет, и повторить процесс несколько раз, чтобы отсеять менее интересные варианты. Прогнозировать какой-то конкретный вариант развития событий через четыре-пять миллионов лет мы по-прежнему не способны, однако вправе задаться вопросом, как они в принципе могут развиваться, и до определенной степени разберемся, насколько вероятны или невероятны те или иные сценарии.
На подобные вопросы пытались ответить Константин Батыгин и Грег Лафлин[125] из Калифорнийского университета в Санта-Крус. При помощи компьютерного моделирования гравитационного взаимодействия планет они экспериментировали с отдаленным будущим нашей Солнечной системы и пробились на 20 миллиардов лет вперед, во времена, когда Солнце уже погибнет.
Оказывается, интересные события начинаются гораздо раньше – можно и не заглядывать так далеко. Планеты внешнего края Солнечной системы – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун – имеют хорошие шансы остаться на устойчивых орбитах и через ближайшие несколько миллиардов лет, а вот с внутренними планетами будет совсем иная история. По одному возможному сценарию Меркурий примерно через 1,26 миллиарда лет упадет на Солнце, поскольку его орбита исказится и разладится из-за взаимодействия с другими планетами. А есть и другой вариант – пройдет каких-то 862 миллиона лет, и Меркурий столкнется с Венерой. Еще до этого колебания Меркурия на орбите приведут к тому, что планету Марс вообще вышвырнет из Солнечной системы, и он будет на веки вечные обречен на межзвездные странствия.
Рис. 11. Вероятные сценарии будущего.
Слева – Солнечная система в сегодняшнем виде, орбиты Меркурия, Венеры, Земли и Марса. Справа – то, что произойдет примерно через 3,3 млрд лет с вероятностью 1 %. Орбита Меркурия исказится настолько, что он столкнется с Венерой (Траектория 1). Орбита Марса может пересечься с орбитой Земли (Траектория 2). Дестабилизация может привести к столкновению Земли с Венерой (Траектория 3).
Во всех этих случаях будущее орбиты Земли тоже окажется затронуто, ее орбита примет новую конфигурацию – и это, скорее всего, приведет к полной катастрофе. Подобные эксперименты наряду с основными результатами, которые получили Ласкар и его сотрудники, выявили, что нас ждет целый ряд крайне непривлекательных вариантов развития событий. Через несколько миллиардов лет планеты, которые раньше были от нас далеко, например, Венера и Марс, окажутся вершителями нашей судьбы – столкнутся с Землей, и это приведет к гибели нашего мира, каким мы его знаем.
Однако насколько вероятен подобный исход? Главная проблема, само собой, заключается в предсказуемости, однако мы, несомненно, в состоянии оценить, сколько траекторий будущего из великого множества сценариев способны привести к таким катастрофическим финалам. Шансы на то, чтобы орбита Меркурия обрела еще более вытянутую эллиптическую форму и стала уязвимее, чем ее нынешняя конфигурация, колеблются от 1 до 2 % в ближайшие несколько миллиардов лет. На первый взгляд это совсем мало и не страшно – да и наш биологический вид, само собой, к тому времени давно вымрет и не станет свидетелем подобной катастрофы, – однако эти ничтожные шансы несут в себе гигантский заряд: они в корне меняют наши представления о небесной механике. И в самом деле, какая тут механика? Скорее суровая и неприглядная математическая вероятность, что наша Солнечная система – и орбиты наших планет во всем их якобы незыблемом великолепии – проживут не больший срок, чем тот, что уже миновал с тех пор, как сформировалось Солнце. Как-то это неуютно.
* * *Думается, в свете этих фактов было бы честно упомянуть и о том, что идея о заводной природе небес считается в наши дни одним из величайших заблуждений в истории науки, которое объяснялось исключительно ограниченностью наших представлений, а также способом, которым мы по стечению обстоятельств предпочитали строить модели мироздания. И в самом деле, даже самые простые системы – вроде звезды с одной-единственной планетой – нельзя считать по-настоящему незыблемыми. Звезда ведь не материальная точка, как обычно предполагают модели, основанные на законах Ньютона. Это огромный динамичный объект, не обязательно идеально сферический и даже не всегда с постоянной массой.
Звезда с течением времени лишается части своего вещества, поскольку испускает в пространство фотоны и массивные частицы, а приливная тяга планеты пусть и совсем слабо, но все же теребит и искажает ее внешнюю газовую оболочку. Да и сама планета тоже не материальная точка, и форма ее хоть и близка к сферической, но тоже редко бывает идеальной. Как и любой крупный каменистый или газовый объект, планета устроена наподобие колоссальной луковицы – состоит из слоев разной плотности и вязкости.
Как я уже писал, планета может источать в космическое пространство существенные объемы своей атмосферы – и тоже испытывает приливное притяжение гравитационного поля звезды. Все эти силы месят ее, словно тесто, и возникающее при этом слабое трение медленно источает энергию, которая излучается в космос, и планета ее больше не получит. В конечном итоге этот отток энергии замедляет вращение планеты и искажает ее орбиту. Со временем меняется даже ориентация оси вращения планеты. В целом, хотим мы этого или нет, даже «простая» система из звезды с одной планетой будет меняться.
Еще один классический пример системы из двух тел – это наша система из Земли и Луны. Даже если мы волшебным образом изолируем эти тела от воздействия гравитации Солнца, то обнаружим, что на самом деле стабильности добиться не удалось. Когда Луна формировалась – мы считаем, что это был результат катастрофического столкновения в столпотворении, царившем в зачаточной Солнечной системе, – она очутилась на орбите вокруг быстро вращавшейся Земли. Сегодня Земля делает оборот вокруг своей оси за двадцать четыре часа, что, конечно, гораздо быстрее, чем орбитальный период Луны в двадцать семь дней, но так будет не всегда.
Гравитация Луны вызывает приливы, которые вздымают не только наши океаны, но и сушу – получаются огромные низкие выпуклости. Однако за время, когда эти выпуклости тянутся к Луне, наша неугомонная планета продолжает вращаться и тащит их за собой, опережая Луну над нами. В результате на Луну оказывается неравномерное гравитационное воздействие. Убегающая выпуклость не столько притягивает Луну к Земле, сколько тащит за собой. В итоге Луну выталкивает на более высокую орбиту, однако одновременно ее тяга замедляет вращение Земли. По скромным человеческим масштабам воздействие это ничтожно мало, однако его все же можно измерить, и такой эксперимент удалось проделать.
