Вся физика в 15 уравнениях - Бруно Мансулье

одной планеты вокруг Солнца, известное как задача двух тел, стало одним из основополагающих столпов механики, но лично для меня оно уже не кажется чем-то особенным. В противоположность этому изучение движения всех планет Солнечной системы с учетом их взаимного тяготения и влияния друг на друга поставило передо мной новые неожиданные задачи. Некоторые планеты, такие как Земля, основное гравитационное влияние испытывают от Солнца, которое вызывает периодическое движение по эллиптической орбите: под этим единым воздействием орбита никогда не изменится, и каждый год Земля будет возвращаться точно в ту же точку — при условии что массы Солнца и Земли не изменятся. Это верно практически для всех планет, что движутся вдоль своих эллиптических орбит в течение вечности.

Однако планеты способны также оказывать некоторое гравитационное влияние и друг на друга. Вращение планет по своим орбитам с разными скоростями приводит к тому, что расстояния между планетами достаточно быстро изменяются, и возникающие в моменты сближения взаимные притяжения вызывают некоторые, достаточно малые, возмущения их траекторий. Вопрос в том, могут ли эти возмущения, накапливаясь с течением времени, существенно изменить базовые эллиптические траектории? Если да, то через какой промежуток времени? И останется ли возмущенное движение все еще периодическим? Или, по крайней мере, достаточно периодическим, чтобы движение планеты можно было предсказать в долгосрочной перспективе?

Вопрос, оказывается, настолько деликатный, что с тех пор как эта проблема была сформулирована Лагранжем в 1766 г., ответ на него несколько раз изменялся. Не углубляясь в математические подробности и проигнорировав двухвековую историю исследований, сейчас мы можем быть полностью уверены в том, что предсказание траекторий движения планет Солнечной системы на сколь угодно длительных интервалах невозможно из-за накапливающихся «хаотических» возмущений. В математическом исследовании французского математика и астронома Жака Ласкара (1989) было показано, что невозможно предсказать орбиты планет, а тем более положение планет на их орбитах на интервалах времени, превышающих несколько десятков миллионов лет. И это несмотря на то, что единственными действующими силами в Солнечной системе являются силы тяготения между Солнцем и планетами и взаимные силы тяготения между планетами, и все эти силы взаимного притяжения совершенно не меняются во времени и не испытывают случайных возмущений[7].

Когда мы решаем уравнения движения и пытаемся рассчитать состояние Солнечной системы, заглянув на 100 млн лет в будущее, решения становятся бесконечно чувствительными к начальным условиям, а именно к измеренным сегодня исходным положениям и скоростям движения планет. И что еще хуже: нет никакой возможности убрать эту чувствительность к начальным условиям — проблема «глубокого» расчета эволюции Солнечной системы выглядит как непробиваемая стена. Согласно расчетам Ласкара, неопределенность исходных координат Земли, равная 15 м, вызывает неопределенность, равную 150 м, в прогнозируемом положении через 10 млн лет, и это вполне приемлемо. Однако уже через 100 млн лет неопределенность в расчете прогнозных координат составит 150 млн км! Другими словами, мы не можем осмысленно точно предсказать положение Земли на ее орбите на дату, выбранную наперед[8]. Это быстрое увеличение неопределенности с увеличением глубины расчета делает иллюзорной надежду на то, что расчет положения во время, заданное наперед, возможен при достаточной точности измерения начальных координат.

Планетарная игра в бильярд

Хочется даже задать вопрос о глобальной стабильности Солнечной системы: раз нет возможности предсказать долгосрочное положение каждой планеты, можем ли мы хотя бы быть уверены в том, что орбиты в будущем останутся примерно одинаковыми? Нынешние орбиты эллиптические, практически круговые (выражаясь математически строго, их «эксцентриситет» мал), и, учитывая большие различия между их средними радиусами, ясно, что они не пересекаются. Но как насчет долгосрочной перспективы? Возможно ли, чтобы орбиты изменились достаточно сильно и пересеклись и, следовательно, возникла ненулевая вероятность столкновения? Может ли случиться так, что одна планета пройдет настолько близко, что другая покинет Солнечную систему? Короче говоря, может ли наша обычная мирная карусель планет превратиться в страшный планетарный бильярд с ударами и отскоками?

Последние оценки будущих событий, выполненные в результате численных расчетов на суперкомпьютерах на несколько миллиардов лет вперед, показывают, что такая возможность существует, хотя и довольно призрачная — вероятность подобной катастрофы за миллиарды лет не превышает 1 %.

Как я уже говорил выше, ответ на вопрос о стабильности Солнечной системы уже несколько раз изменялся между «порядком» и «беспорядком». Хаос, описанный в работе Ласкара, — это тот ответ, который дает нам современная наука. Могут ли существовать другие, еще не учтенные явления, управляющие движением планет? Это действительно живые и наболевшие вопросы, так как «хаотические» движения такого типа также существуют во многих других физических системах, которые гораздо более интересны, чем решение уравнения движения для одинокой планеты…

Глава 5

Уравнение состояния идеального газа[9]

PV=VRT

И снова перед нами очень простое уравнение, которое описывает зависимость давления от температуры, или уравнение состояния многих распространенных газов, включая окружающий воздух, при условии что они еще «недостаточно плотные». Этот закон очень важен сам по себе, так как позволяет понять такое важное природное явление, как изменение атмосферного давления с высотой. Уравнение состояния идеального газа при применении в научных лабораториях и промышленности раскрывает путь к точным расчетам и управлению газовыми средами: воздухом, паром и т. д.

Однако это уравнение может, помимо всего прочего, выполнять совсем другую роль. Несмотря на то что данное уравнение предназначено для описания поведения больших объемов газа, привычных для человека, или же даже чрезмерно больших, таких как атмосфера Земли, истинная его природа раскрывается в том, что оно является прямым и однозначным следствием того, что материя состоит из микроскопических и практически не взаимодействующих друг с другом атомов.

Идеальный воздух

Немного позже я подчеркну столь малоизвестный аспект, а сейчас давайте вернемся к самому уравнению. Из него можно сделать вывод, что для некоторого неизменного количества газа в замкнутом объеме произведение давления P на объем V пропорционально количеству газа v и температуре T. Коэффициент пропорциональности R называется «газовой постоянной» и численно равен 8,31.

Проще говоря: если я уменьшаю объем, в котором заключено заданное количество газа (медленно, чтобы температура не менялась), давление в объеме увеличивается (подобное можно наблюдать в действии велосипедного насоса). Если в фиксированный объем с газом я добавляю больше газа (увеличивая v), давление увеличивается (впрыскивая воздух в уже надутую шину). Если в заданном объеме при неизменном количестве газа увеличить его температуру, давление в объеме возрастет (вспомните скороварку) и т. д.

Как же нам повезло!

Уравнение идеального газа совершенно не заставляет трепетать от волнения: никаких дифференциалов, никаких симпатичных показателей степени