Ученые разгадали многовековую тайну физики

10.10.2021
95
0
0.0
Исследователи Техниона нашли эффективное решение известной проблемы трех тел в физике.

Проблема трех тел — одна из старейших проблем физики: она касается движения систем из трех тел, таких как Солнце, Земля и Луна, и того, как их орбиты меняются и развиваются из-за их взаимной гравитации. Проблема трех тел была в центре научных исследований еще со времен Ньютона.

Когда один массивный объект приближается к другому, их относительное движение следует траектории, продиктованной их взаимным гравитационным притяжением, 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 (например, таких как Земля, движущаяся вокруг Солнца без влияния других тел) орбита Земли будет продолжать следовать очень специфической кривой, которую можно точно описать математически (эллипс).

Однако, как только добавляется еще один объект, сложные взаимодействия приводят к проблеме трех тел, а именно, система становится хаотичной и непредсказуемой, и невозможно просто определить эволюцию системы в долгих временных масштабах.

Хотя это явление известно более 400 лет, со времен Ньютона и Кеплера, четкое математическое описание проблемы трех тел все еще отсутствует.

В прошлом физики, включая самого Ньютона, пытались решить эту так называемую проблему трех тел. В 1889 году король Швеции Оскар II даже предложил приз любому, кто сможет предложить общее решение. В конце концов, победителем конкурса стал французский математик Анри Пуанкаре. Он разрушил всякую надежду на полное решение, доказав, что такие взаимодействия хаотичны в том смысле, что конечный результат по сути случаен. Фактически, его открытие открыло новую научную область исследований, получившую название теории хаоса.

Отсутствие решения проблемы трех тел означает, что ученые не могут предсказать, что произойдет во время тесного взаимодействия между двойной системой (состоящей из двух звезд, которые вращаются вокруг друг друга, как Земля и Солнце) и третьей звездой, кроме как путем моделирования. на компьютере и шаг за шагом следуя эволюции.

Такое моделирование показывает, что, когда такое взаимодействие происходит, оно протекает в две фазы: во-первых, хаотическая фаза, когда все три тела сильно тянут друг друга, пока одна звезда не выбрасывается далеко от двух других. Если третья звезда находится на ограниченной орбите, она в конечном итоге возвращается к двойной системе, после чего снова наступает первая фаза. Этот тройной танец заканчивается, когда во второй фазе одна из звезд ускользает по несвязанной орбите.

В статье, недавно опубликованной в Physical Review X, доктор философии, студент Йонадав Барри Гинат и профессор Хагай Перец из Техниона-Израильского технологического института использовали эту случайность, чтобы предоставить статистическое решение для всего двухфазного процесса. Вместо того, чтобы предсказывать фактический результат, 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 заканчивается тем или иным образом, а не другим. Затем всю серию близких подходов можно было бы смоделировать с помощью определенного типа математики, известного как теория случайных блужданий.

В своем исследовании Гинат и Перец вычислили вероятность каждой бинарно-одиночной конфигурации фазы 2 (например, вероятность обнаружения различных энергий), а затем составили все отдельных фаз, используя теорию случайных блужданий, чтобы найти окончательную вероятность любого возможного исхода, так же, как это делают при поиске долгосрочных прогнозов погоды.

«Мы придумали модель случайного блуждания в 2017 году, когда я был студентом бакалавриата, — сказал Гинат. — Я прошел курс, который преподавал профессор Перец, и там мне пришлось написать эссе по проблеме трех тел. В то время мы не публиковали его, но, когда я начал защищать докторскую диссертацию, мы решили расширить эссе и опубликовать его».

Источник
Аватар enr091 Наталия Ришко / enr091
Журналист/Midgardinfo



Комментарии (0)
avatar