Znaleźli 12 392 nowych rozwiązań problemu trzech ciał

Tak zwany „problem trzech ciał” niepokoi matematyków od trzech stuleci. Tak naprawdę dzięki prawom Newtona można łatwo opisać ruch dwóch ciał na orbicie i bardzo szczegółowo obliczyć, jak ich grawitacja będzie na siebie oddziaływać w przyszłości. Ale problem staje się bardziej złożony, gdy dodany zostanie trzeci obiekt. Tak skomplikowane, że staje się nierozwiązywalne.

Prawda jest taka, że nie ma jednego rozwiązania problemu, który zależy od ogromnej liczby zmiennych. Prawa fizyki mówią nam, że znając stan początkowy układu, będzie można przewidzieć każdy przyszły stan tego układu i zastosować odpowiednie prawa. Jednak prawie niemożliwe jest poznanie stanu początkowego układu składającego się z trzech ciał krążących wokół siebie. Jest to układ chaotyczny, w którym wszystko jest możliwe i nie ma możliwości wyrażenia jego rozwiązania w formule.

Dlatego matematycy uciekają się do „sztuczki” polegającej na samodzielnym ustalaniu warunków początkowych (które nie muszą odpowiadać warunkom rzeczywistym) i szukaniu możliwych rozwiązań dla tych konkretnych konfiguracji. Naukowcy odkryli na przykład, że w 2017 r 1223 nowe rozwiązania dla problemu trzech ciał, co podwoiło liczbę znanych dotychczas możliwości.

Teraz Ivanowi Hristovowi z Uniwersytetu Sofijskiego w Bułgarii i jego współpracownikom udało się „odkryć” tysiące potencjalnych nowych orbit, z których wszystkie „działają” dzięki zastosowaniu praw Newtona. Aby to osiągnąć, zespół uruchomił ulepszoną wersję algorytmu zastosowanego w pracach z 2017 roku na superkomputerze i odkrył 12 392 nowych rozwiązań. Według Christopha, gdyby powtórzył poszukiwania przy użyciu potężniejszych urządzeń, znalazłby „nawet pięć razy więcej”. Badanie można już oglądać na serwerze przed publikacją arXiv.

Wszystkie rozwiązania rozpoczynają się od stanu początkowego, w którym trzy obiekty są nieruchome, a następnie wchodzą w stan swobodnego spadania i pozwalają, aby grawitacja przyciągnęła je do siebie. Ich pęd niesie je następnie obok siebie, zanim zwolnią, zatrzymają się i ponownie przyciągną. Zespół odkrył, że przy założeniu braku tarcia schemat będzie się powtarzał w nieskończoność.

Rozwiązania problemu trzech ciał są bardzo interesujące dla astronomów, ponieważ pozwalają opisać, w jaki sposób dowolne trzy ciała niebieskie (gwiazdy, planety czy księżyce) mogą utrzymać stabilną orbitę. Jednak okaże się, jak stabilne będą nowe rozwiązania, jeśli uwzględni się również niewielkie uderzenia innych odległych obiektów i inne zakłócenia w świecie rzeczywistym.

Jedno z ponad 12 000 nowych rozwiązań odkrytych obecnie przez naukowców

Ivan Hristov, Radoslava Hristova, Veljko Dmitrasinović, Kiyotaka Tanikawa

Według Hristova astronomiczne znaczenie tych rozwiązań „będzie lepiej znane po zbadaniu stabilności, co jest bardzo ważne”. Jednakże niezależnie od tego, czy jest stabilny, czy niestabilny, ma duże znaczenie teoretyczne. „Mają bardzo piękną strukturę przestrzenną i czasową”.

Oczywiście większość, jeśli nie wszystkie, z 12 392 rozwiązań znalezionych przez Hristova i jego współpracowników wymaga warunków początkowych tak precyzyjnych, że prawdopodobnie nigdy nie wystąpiłyby one w przyrodzie. Gdyby tak było, większość z nich byłaby niestabilna, a po złożonym oddziaływaniu grawitacyjnym układ trzech ciał podzieliłby się na układ podwójny (z tylko dwoma ciałami), podczas gdy trzecie, najmniej masywne z trzech, zaginęłoby w ogrom przestrzeni.