Израильские ученые предложили решение "проблемы трех тел"

"​Проблема трех тел", которая находится в центре научных исследований со времен Ньютона, получила решение.

Об этом сообщает МИД Израиля со ссылкой на пресс-релиз Израильского технологического института "Технион".

Физики долгие годы пытались объяснить движение таких систем, как Солнце, Земля и Луна, и то, как их орбиты меняются из-за изменений взаимной гравитации. Когда один массивный объект приближается к другому, их относительное движение следует траектории, продиктованной их взаимным гравитационным воздействием, но по мере того, как они движутся и меняют свое положение вдоль своих траекторий, силы между ними, которые зависят от их взаимного положения, также изменяются, что, в свою очередь, влияет на их траекторию и так далее.

Для двух тел орбита должна следовать специфической кривой, которую можно точно описать математически. Однако, как только добавляется еще один объект, сложные взаимодействия приводят к "проблеме трех тел". Система становится хаотичной и непредсказуемой, и невозможно просто определить эволюцию системы в длительных временных масштабах.

Ньютон и многие физики после него пытались решить эту проблему. В 1889 году король Швеции Оскар II предложил на свое 60-летие приз любому, кто сможет предложить общее решение. Тогда победителем конкурса стал французский математик Анри Пуанкаре, разрушивший всякую надежду на полное решение, доказав, что такие взаимодействия хаотичны. Его доказательства открыли новую область научных исследований – теорию хаоса.

Отсутствие решения проблемы трех тел означает, что ученые не могут предсказать, что произойдет во время тесного взаимодействия между двойной системой и третьей звездой, и должны моделировать такое взаимодействие на компьютере. Такие модели показали, что подобные взаимодействия имеют две фазы: первую, хаотическую, когда все три тела сильно притягивают друг друга, пока одна звезда не отбрасывается далеко от двух других, которые формируют эллиптические орбиты.

Если третья звезда находится на ограниченной орбите, она возвращается к двойной системе, после чего вновь наступает первая фаза. Этот "тройной танец" заканчивается, когда во второй фазе одна из звезд ускользает в пространство, чтобы никогда не вернуться.

Докторант Йонадав Барри Гинат и профессор Хагай Перец из Техниона использовали этот элемент, чтобы предоставить статистическое решение для всего двухфазного процесса. Они вычисляли вероятность любого данного результата каждого взаимодействия фазы 1. Хотя хаос подразумевает невозможность полного решения, его случайный характер позволяет вычислить вероятность того, что тройное взаимодействие закончится тем или иным образом. Затем всю серию приблизительных вероятностей можно было бы смоделировать с помощью определенного вида математики, известного как теория случайных блужданий, иногда называемая "прогулкой пьяницы".

Этот термин получил название от математического представления о том, что путь пьяного домой можно охарактеризовать как случайный процесс – то есть, при каждом шаге пьяный не понимает, где находится, и делает следующий шаг в случайном направлении. Тройная система, по словам ученых, ведет себя так же. После каждого близкого столкновения одна из звезд случайно выбрасывается на периферию, а другая выбрасывается в вероятном другом случайном направлении и возвращается.

Уточняется, что климат демонстрирует тот же феномен хаоса, который обнаружил Пуанкаре. Метеорологам приходится прибегать к вероятностным предсказаниям, учитывая вероятности всех возможных типов погодных условий.

Гинат и Перец показали, как можно применить статистический принцип к проблеме трех тел: они вычислили вероятность каждой бинарно-одиночной конфигурации фазы 2 и собрали воедино все отдельные фазы, используя теорию случайных блужданий.

"Мы придумали модель случайного блуждания в 2017 году, когда я был студентом, обучающимся на первую степень. Я прошел курс, который преподавал профессор Перец, и там мне пришлось написать эссе по проблеме трех тел. Когда я начал свой докторат, мы решили расширить эссе и опубликовать его", – сообщил Гинат.

Профессор Перец от себя добавил, что это решение имеет важное значение для понимания гравитационных систем, особенно в тех случаях, когда происходит много встреч между тремя звездами, например, в плотных звездных скоплениях.

"В таких регионах космоса в результате столкновений трех тел образуются многие экзотические системы, что приводит к столкновениям между звездами и компактными объектами, такими, как черные дыры, нейтронные звезды и белые карлики, которые также создают гравитационные волны, впервые обнаруженные напрямую только в последние несколько лет. Статистическое решение могло бы послужить важным шагом в моделировании и прогнозировании образования таких систем", – отметил он.