Ново прозрение в проблема с трите тела

Бъдещите перспективи са ново ниво в разбирането на гравитационните взаимодействия

Изследователят от Университета в Копенхаген Алесандро Алберто Трани от Института „Нилс Бор“ е направил откритие, което може да промени разбирането за гравитационните взаимодействия и много други фундаментални аспекти на Вселената.

Проблемът с трите тела, описан за първи път от Исак Нютон, се отнася до движението на три точкови маси, които си взаимодействат чрез гравитацията. За разлика от предсказуемото взаимодействие между два обекта, въвеждането на трети масивен обект прави системата хаотична и трудна за анализиране. Въпреки това, както показват последните изследвания, в този хаос има определени закономерности.

„Проблемът с трите тела“ е един от най-известните нерешими проблеми в математиката и теоретичната физика. Теорията гласи, че при срещата на три обекта взаимодействието им се развива хаотично, без никаква закономерност и напълно независимо и несвързано с изходната точка“, обяснява Алесандро Алберто Трани. Екипът му обаче открива, че „в този хаос има пропуски – „острови на закономерност“ – които пряко зависят от това как трите обекта са разположени един спрямо друг в момента на срещата, както и от тяхната скорост и ъгъл на приближаване„.

За да постигне този резултат, Трани разработва специализирана програма с името Tsunami, която изчислява движенията на астрономическите обекти въз основа на природните закони като гравитацията на Нютон и общата теория на относителността на Айнщайн. Програмата е създадена, за да извърши милиони симулации на стълкновения на три тела в рамките на определени параметри. Първоначалните параметри за симулациите са позициите на два от обектите в тяхната взаимна орбита и ъгълът на приближаване на третия обект.

Резултатите от тези симулации формират подробна карта на всичките резултати, в която се появяват „острови на регулярност (закономерност)“. В повечето случаи обектът с най-малка маса в крайна сметка е този, който е изхвърлен от системата след сблъсъка.

„Ако проблемът с трите тела беше чисто хаотичен, щяхме да видим само хаотична смесица от неразличими точки, където и трите резултата се смесват без никакъв забележим ред. Напротив, от това хаотично море се появяват правилни „острови“, където системата се държи по предсказуем начин, което води до еднакви резултати – и следователно до еднородни цветове на картата“, обяснява Трани.

Това откритие дава сериозни надежди за по-задълбочено разбиране на гравитационните вълни, които се излъчват от черните дупки и другите масивни обекти.

„Ако искаме да разберем гравитационните вълни, които се излъчват, то взаимодействието на черните дупки при срещата и сливането им е от решаващо значение. Огромни сили влизат в действие, особено когато се срещнат три от тях. Ето защо разбирането ни за техните срещи може да бъде ключът към разбирането на явления като гравитационните вълни, самата гравитация и много други фундаментални загадки на Вселената“, допълва изследователят.

Въпреки че това откритие е многообещаващо, то представлява и предизвикателство за изследователите. Чистият хаос е нещо, което те вече знаят как да изчислят с помощта на статистически методи, но когато хаосът е прекъсван от закономерности, изчисленията стават по-сложни.

„Когато някои области в тази карта на възможните резултати внезапно станат редовни, това нарушава статистическите изчисления на вероятностите, което води до неточни прогнози. Нашето предизвикателство сега е да се научим как да комбинираме статистическите методи с т.нар. цифрови изчисления, които осигуряват висока точност, когато системата се държи регулярно“, казва Трани.

Изследването на Трани и неговия екип изглежда е върнало проблема „в правия път“, но в същото време в дългосрочен план дава надежда за съвсем ново ниво на разбиране.