В решении задачи трех тел обнаружили «островки закономерности»

Вот уже несколько столетий ученых ставит в тупик задача из классической механики об определении движения трех тел в системе, более известная как «задача трех тел». В такой системе объекты начинают вести себя непредсказуемо. Цель исследователей — вычислить движение тел в будущем, найти координаты и скорости трех материальных точек в произвольный момент времени при заданных начальных условиях и учете лишь гравитационного взаимодействия. Существуют тысячи частных решений задачи, но они не общеприняты, лишь предполагают отдельные выводы того, как ее можно решить. 

История задачи начинается с Исаака Ньютона, который впервые сформулировал ее в XVII веке. Как он полагал, если движение двух взаимодействующих объектов в пространстве предсказуемо, то появление третьего тела вносит в систему разлад. Возникает случайность в движении тел. Несмотря на все усилия, Ньютон не смог обнаружить общее решение и признал, что задача слишком сложна для аналитического подхода.

Причина сложности ее решения — хаотическая природа системы. Даже незначительные вариации в начальных условиях одного из тел (в массе, скорости, положении в пространстве) приводят к разным результатам. Изменения параметров движения одного из этих тел, даже самые незначительные, способны полностью изменить судьбу системы.

Некоторые исследователи считают, что даже в хаосе существуют свои скрытые закономерности, то есть хаос — не беспорядочность. Доказать это пытаются многие математики. На помощь им приходят суперкомпьютеры. 

Международная команда математиков и физиков под руководством Алессандро Трани (Alessandro Trani) из Института Нильса Бора (Дания) использовала суперкомпьютер для численного моделирования задачи трех тел и обнаружила в хаосе движения этих объектов пробелы — «островки закономерности». Эти «островки» показали, где объекты ведут себя предсказуемо и подчиняются определенным правилам: траектория их орбит напрямую зависит от того, как три объекта расположены друг относительно друга в момент сближения, а также от их скорости и угла сближения. Об исследовании рассказывается в пресс-релизе, опубликованном на сайте института. 

Трани и его коллеги создали программу Tsunami, которая перебирала миллионы возможных комбинаций взаимодействия трех тел в системе, рассчитывала траекторию их движения, используя теорию общей относительности Эйнштейна и законы Ньютона. Эта программа предполагала использование статистического метода и наличие специальной карты, на которой каждая точка соответствовала конкретному набору начальных условий.

Затем каждой точке ученые присвоили свой цвет в зависимости от того, какой из трех объектов в итоге «выбрасывается» из системы в результате взаимодействия (в большинстве случаев — объект с наименьшей массой). 

Если бы движения объектов в системе были случайными, то есть сама задача предполагала хаотичность, цвета на карте перемешались бы случайным образом. Однако в своем исследовании такой картины ученые не наблюдали. Они обнаружили на карте области, окрашенные в один цвет. По словам исследователей, эти области и есть «островки закономерности»: там начальные условия предопределяют дальнейшую эволюцию системы.

Авторы работы посчитали, что на этих «островках» движение объектов подчиняется строгим математическим закономерностям, оно упорядоченно и предсказуемо. Это, в свою очередь, указывает на существование общего решения задачи трех тел. 

Однако «островки закономерности», обнаруженные командой Трани в решении задачи трех тел, могут представлять проблему для исследователей. Дело в том, что этот подход хорошо вычисляет хаотичные траектории движения тел, но плохо работает, когда дело касается «закономерных» траекторий. 

«Когда некоторые области на карте, предполагающие хаотичное движение объектов, внезапно переходили в фазу закономерного движения, наши статистические расчеты для этой фазы нарушались, что приводило к неточным предсказаниям. Теперь наша цель — научиться сочетать статистические методы с численными, чтобы обеспечить высокую точность предсказания, когда система начинает становится более закономерной», — пояснил Трани. 

Открытые «островки закономерности» — важный шаг на пути к общему решению задачи трех тел. Исследователям еще предстоит провести серию компьютерных экспериментов, чтобы детально изучить свойства «островков» и понять механику их образования, а также оценить влияние на эволюцию системы. 

В космосе наличие систем, состоящих из трех объектов, не редкость. Поэтому решение задачи трех тел — не просто теоретический вызов, а возможность постичь тайны Вселенной.