Биография в десять миллиардов лет 12 страница
За период всего в несколько миллионов лет движение планет оказалось подвержено так называемой экспоненциальной дивергенции[123]. Иначе говоря, за такое время накапливается столько отклонений в положении и скорости, что их в принципе невозможно измерить, и из-за этого орбиты планет непредсказуемо искажаются. Причем эти искажения не обязательно катастрофические, просто мы не можем со сколько-нибудь разумной погрешностью спрогнозировать, какими они будут.
Представьте себе, что мы выпустили на волю стаю почтовых голубей. Если это произошло у них дома, они несколько минут полетают, а потом устремятся обратно в голубятню перекусить, и проследить за ними будет довольно просто. Вероятно, вы даже рассчитаете, когда изящные траектории полета приведут их на родной насест: поведение и стиль полета у каждого голубя давно знакомы и предсказуемы.
А вот если вы увезете голубей далеко в поля, а потом выпустите, точно предсказать, когда все они окажутся дома, станет гораздо сложнее. Если птицы хорошо обучены, они устремятся в голубятню. Однако воздушные течения, географические особенности, устройство голубиных мозгов влияют на почтовых голубей так, что заранее нанести перемещения птиц на карту становится очень трудно.
Легкая непредсказуемость голубиного поведения едва ли нас сильно обескуражит, зато непредсказуемое движение планет в нашей Солнечной системе вполне способно лишить нас покоя и сна. Это очень неприятное открытие. Физика Ньютона и ее применение на практике в том виде, в каком это делали ученые вроде Лапласа, описывала словно бы заводную Вселенную, реальность, основанную на ясных фундаментальных законах, которые всегда приводят из точки А в точку В и в пространстве, и во времени. И хотя к тому времени, когда проводились компьютерные эксперименты по расчету движения планет, концепции хаоса и нелинейности уже были прекрасно известны, это открытие стало первым веским подтверждением того, что наша Солнечная система не заводная и не предсказуемая.
|
|
|
За краткий человеческий век – и даже за все то время, которое бродит по Земле наш биологический вид, – мы успели стать свидетелями лишь тончайшего среза орбитальной истории своих соседок-планет. Бесконечное разнообразие их движений не показалось бы нам таким уж зловещим и страшным, будь мы всемогущие существа по миллиарду лет от роду, однако для таких короткоживущих комочков биоматериала, как мы, становится ужасным потрясением узнать, что мы всего-навсего катим на гребне одинокой волны в бурном океане из множества вариантов планетных орбит.
Но что еще, помимо подрыва наших представлений о том, насколько можно рассчитывать, что определяющие качества нашей планеты надежно обеспечивают само наше существование, говорит нам это неприятное открытие о природе нашей – и, если уж на то пошло, любой – Солнечной системы? Довольно многое, поскольку это как раз тот случай, когда хаос вполне может привести к разрушению.
|
|
|
* * *
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.
Когда астронавты с «Аполлона» высаживались на Луну в конце шестидесятых – начале семидесятых годов прошлого века, они оставили там, помимо всего прочего, зеркала особой формы. Подобные же зеркала оставили на Луне и советские космические аппараты. Зеркала были наклонены к Земле и применялись для того, чтобы отражать пущенные на Луну лазерные лучи, и таким образом расстояние до нее было измерено с очень высокой точностью. Это очень хитроумный способ. Учитывая дистанцию и рассеяние света в атмосфере и при отражении от зеркал на Луне, возвращался обратно и был зарегистрирован нашими приборами лишь один из ста тысяч триллионов фотонов.
Тем не менее точный цвет и время возвращения лазерных импульсов позволили нашим электронным инструментам уловить этот слабенький обратный сигнал и засечь время его прибытия. К тому же мы точно знаем скорость света и знаем, как обращаться со сторонними воздействиями – колебаниями лунной орбиты и эффектами относительности, о которых предупреждал Эйнштейн. В результате мы можем конвертировать общее время, которое свет (фотоны) проводит в пути туда и обратно – приблизительно 2,5 секунды – в расстояние. И тогда мы обнаружим, что с каждым годом Луна удаляется от нас примерно на 4 сантиметра – на 0,0000000008 % своего нынешнего расстояния от нас, – а земной день становится длиннее на 0,0000015 секунды.
Все это очень маленькие величины, однако очевидно, что система не незыблема. Фигуры ее орбитального танца отнюдь не неизменны. И в самом деле, палеонтологические данные о том, как раньше проходили береговые линии и как под воздействием приливов распределялись минералы и ископаемые останки, доказывают, что в прошлом наша планета вращалась иначе. Судя по всему, 600 миллионов лет назад земные сутки длились всего 21 час[126] – с тех пор, как волны бились о те далекие берега, наше вращение замедлилось на целых три часа.
Так что во многих отношениях совершенство законов Ньютона, описывающих движение планет, – следствие весьма значительных приближений и погрешностей. Даже великолепные обобщения этих законов, которые сделал Эйнштейн, не учитывают всех досадных мелочей. Вселенной по-прежнему правит математика, однако прогнозы редко делают непосредственно, поскольку всегда накапливаются эффекты, которые мы поначалу рискуем упустить из виду, – эффекты n тел, способные привести планеты к катастрофе или реорганизовать систему в целом.
Все эти открытия возвращают нас к основному вопросу в поисках нашего вселенского значения, поскольку характеристики орбиты – это очередной показатель, по которому можно сравнивать Солнечную систему с прочими звездными системами. И в самом деле, тот факт, что стабильность планетных путей – лишь иллюзия, позволяет нам встать на новую точку зрения, как было с Кеплером, когда он понял, что орбиты планет имеют форму эллипса, и таким образом открыл путь для колоссального разнообразия конфигураций планетных систем.
Это означает, что у любой планетной системы появляется еще одна жизненно важная черта, еще одна особенность, о которой следует знать. За мгновенным срезом конфигурации орбит, который мы наблюдаем, стоит вопрос, как поведут себя эти орбиты в будущем и что они делали в прошлом. Иными словами, по мгновенному срезу понять устройство планетной системы невозможно. Это живое существо, которое развивается, меняется – и потенциально стремится к хаосу.
Если бы все эти факты сообщили Копернику, он, вероятно, отказался бы от попыток рассчитать небесную механику. Ведь если даже такой колоссальный переворот – смещение Земли из центра мироздания – не позволил описать небесные реалии во всей их полноте, как можем мы рассчитывать на понимание природы вещей?
Однако, к счастью для нас, эта дополнительная характеристика открывает и дополнительные возможности, поскольку позволяет нам сравнивать нашу Солнечную систему с прочими по существенному параметру.
В предыдущей главе я познакомил вас с лигой выдающихся планет и указал на то, как они многочисленны и как разнообразны их свойства, в том числе и практически бесконечное число комбинаций и искажений их орбит. Кроме того, я намекнул на причину некоторых подобных комбинаций – на бурное прошлое, полное перемен и отклонений. А теперь мы практически замкнули цикл. Обнаружив, что наша Солнечная система существует на грани хаоса, мы снарядились в обратный путь и теперь можем вернуться к экзопланетам и спросить, как они дошли до жизни такой.
Ответ подскажет нам еще кое-что о нашем положении среди всего этого планетного хаоса.
* * *
Чтобы изучить сложную классификацию экзопланет, нам придется вспомнить о науке моделирования, о компьютерных расчетах гравитационного взаимодействия в системах из нескольких тел. Признаться, я просто обожаю всякие технические новинки, особенно если они дают уверенные ответы на наболевшие вопросы. Когда сталкиваешься с бытовой проблемой, мало что так утешает, как знание того, какой инструмент достать из кладовки, где он хранится на своем законном месте, поскольку ты предусмотрел, что он может понадобиться. Подобные моменты – причина отметить торжество чашечкой чая и философски похрустеть печеньицем, и не подозревая, что то, что ты не увидел и о чем не подумал, тем временем окончательно разладилось.
Некоторые научные инструменты доставляют такое же удовольствие, даже если они не панацея. Компьютерные системы и программы, подражающие гравитационной динамике, занимают, думается мне, почетное место в этом арсенале. История разработки этих замечательных симуляторов и машин по переработке чисел сама по себе увлекательна, но об этом я расскажу как-нибудь в другой раз, поскольку сегодня мне хочется поговорить о том, как они приводят к совершенно новому представлению об устройстве всех планетных систем, а не только нашей.
Когда я в первый раз играл с одним из таких затейливых компьютерных кодов[127], который некий талантливый специалист по динамике разместил в открытом доступе, то прямо-таки не мог дождаться следующего утра, когда можно будет посмотреть, что достигнуто за ночь. Мне не терпелось посмотреть, до чего дошли мои воображаемые миры и какие орбитальные фокусы они выкинули за множество виртуальных циклов.
Было страшно интересно прослеживать историю каждой планеты, движение которой за миллионы лет под воздействием гравитации описывалось у меня на экране простыми узорами и линиями. Было в этом что-то порочное, пожалуй, привкус мании величия – ведь я безгранично властвовал над целыми Солнечными системами, повелевал жизнью и смертью планет, созданных моими же руками, играл с ними, словно с песчинкой в капле воды под микроскопом.
Так или иначе, подобные занятия очень притягательны, и вокруг тех, кто посвящает себя задаче укротить бесконечно переменные картины гравитационных взаимодействий, сложилась особая научная культура, очень яркая и оригинальная[128]. Моделирование бесконечного множества реальных и воображаемых планетных систем позволяет ученым исследовать гипотезы, которые без подобных инструментов едва ли удалось бы рассмотреть. А главное – в последние десять лет целый ряд исследователей занимался при помощи моделирования исследованием поведения молодых планетных систем.
Как я уже говорил, мы считаем, что основной механизм формирования планет – срастание или коагуляция вещества из огромных дисков пыли и газа, окружающих новорожденные звезды. Однако живут эти диски относительно мало, примерно как последние вихри пузырьков, когда выпускаешь мыльную воду из ванны, только приканчивает их не тяга из трубы, а мощная энергия излучения звезды. Когда в толще таких дисков образуются планеты, они более или менее застревают на своих орбитах из-за массы окружающего газа и пыли, но когда все это вещество выкипает, планеты ощущают исключительно гравитационное воздействие друг друга и получают возможность нащупать будущую орбиту.
И вот многие ученые поняли, что в такой ситуации планетные системы могут переживать период юношеского хаоса[129] или нестабильности – такой сильной, что она приводит к полной перестановке орбит и даже к разрушению или изгнанию из системы целых планет. Это подобно доисторической экстремальной версии хаоса, в который, вероятно, мало-помалу впадет в будущем наша Солнечная система.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 138; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!