Интернет-магазин MagazinWeb

“Проблема трех тел”, объясненная астрофизиком простыми словами

'3 Body Problem', explained by an astrophysicist in simple terms

Теперь я, наконец, понимаю суть шоу.

Если вы, как и я, искали новую одержимость Netflix, скорее всего, вы рассматриваете 3 Body Problem, научно-фантастический сериал, основанный на популярных книгах Лю Цысиня. Восьмисерийный сериал от создателей “Игры престолов” Дэвида Бениоффа и Д.Б. Вайса и сценариста “Настоящей крови” Александра Ву начинается в Китае 60-х годов, где молодая женщина принимает судьбоносное решение, которое имеет бесконечные последствия в пространстве и времени. 3 Проблема тела следует за “Оксфордской пятеркой” – командой ученых, которые наперегонки пытаются спасти человечество от опасных последствий.

Большая часть шоу сосредоточена вокруг реальной науки о “проблеме трех тел”, таким образом, смешивая вымысел с реальностью принципов, относящихся к астрофизике. Но кое-что из этого, безусловно, может быть немного, ну, ошеломляющим – если только у вас нет научного образования и вы не знаете, что происходит. Я поговорил с Кейт Пэттл, преподавателем Лондонского университетского колледжа на факультете физики и астрономии, чтобы упростить упомянутую науку и отличить факты от вымысла. Продолжайте читать, чтобы найти ответы на вопросы, которые вы давно хотели задать.

Что такое проблема трех тел (простыми словами)?

Давайте начнем с основ: что именно такое что это за термин и как он используется в астрофизике? Кейт объясняет, что “все это восходит к теории тяготения Исаака Ньютона”.

“Для системы “двух тел” – двух объектов, которые ощущают гравитационное притяжение друг друга, таких как Солнце и Земля, или двух звезд, вращающихся вокруг друг друга, – Ньютон дал нам нужно простое математическое решение для того, как будет двигаться пара объектов. Если мы знаем, где объекты находятся сейчас и с какой скоростью они движутся, мы можем точно предсказать, что будет в любой момент в будущем”.

Проблема заключается в том, что когда в уравнение добавляется третий объект, предсказания становятся намного сложнее.

“Для любого числа объектов, превышающего два, даже несмотря на то, что законы движения Ньютона применимы к системе, у нас нет простого уравнения, описывающего, как будет вести себя набор объектов. Мы называем это ”проблемой трех тел”, – объясняет Кейт. “Если есть три объекта, например, три звезды, чувствующие гравитационное притяжение друг друга, мы, как правило, не можем предсказать их будущее поведение”.

“Система может быть тем, что мы называем “хаотической”, что означает очень маленькую изменение того, где находятся три тела прямо сейчас, может привести к огромным изменениям в том, где они будут находиться в будущем. Это похоже на прогнозирование погоды, которое также является хаотичной системой: прогноз погоды на завтра, вероятно, будет довольно точным, но к следующей неделе у нас очень слабое представление о том, что произойдет, а на следующий месяц мы понятия не имеем. Предсказывая будущее звездных систем, состоящих из трех тел, мы прогнозируем погоду на тысячи или миллионы лет, а не на дни или недели, но принцип тот же”.

Можно ли решить проблему трех тел и насколько близко подошли эксперты?

С такой сложной, “хаотичной” проблемой, может ли это быть когда-либо практически решено? Что ж, ответ в некотором роде ‘да и нет’. Кейт говорит:

“Было предпринято много попыток решить задачу о трех телах, и было найдено то, что называется “последовательными решениями” – эти решения математически красивы, но требуют, чтобы вы могли суммировать до бесконечности, чтобы получить абсолютно точный ответ. Не существует решений, которые работали бы в каждом конкретном случае и могли бы дать абсолютно точный прогноз для системы из трех тел за конечный промежуток времени. Есть несколько абсолютно точных решений для особо особых случаев – например, если бы звезды двигались по схеме восьмерки, – но подобные модели очень маловероятно увидеть в реальных звездных системах”.

Это не означает, что однако астрофизики не продолжают попыток. “Как правило, мы используем компьютеры для получения приблизительных решений, делая очень маленькие шаги: мы предсказываем, где будут находиться звезды через очень короткое время в будущем – для которого наше “прогнозирование” должно быть точным – а затем делаем новое предсказание, основанное на нашем ответе, и затем продолжаем в том же духе.”

Однако, говорит Кейт, это работает только некоторое время, а затем выходит из строя “точно так же, как это делает прогноз погоды – хотя мы прогнозируем на тысячи лет, а не на дни или недели.”

Это также зависит от обстоятельства: “Когда третье тело намного легче двух других – например, как Луна в системе Солнце-Земля-Луна, – мы можем получить чрезвычайно хорошее приближение к реальному решению в течение очень долгого времени в будущем. Но если все три тела имеют примерно одинаковую массу – например, в системе Трисолярис в задаче о 3 телах – гораздо сложнее сделать точные прогнозы относительно того, где будут находиться звезды в будущем”.

'3 Body Problem', explained by an astrophysicist in simple terms

© 2023 Netflix, Inc.

Что произошло бы, если бы на планете существовала цивилизация, живущая в пределах трех-звездная система тела?

Итак, что именно произошло бы, если бы что-то подобное истории в Netflix “Проблема с телом 3” на самом деле произошло? Приведет ли это к разрушениям и хаосу? Ну, звучит так, как будто это отчасти зависит от обстоятельств. “По сути, нет ничего плохого в том, чтобы жить на планете в тройной системе, при условии, что это стабильная система”, – отмечает Кейт.

“Ближайшая к нашей звездная система, Альфа Центавра, является примером этого. Стабильные тройные системы, как правило, представляют собой то, что мы называем “иерархическими тройками” – две звезды соединены вместе в тесную пару, и третья звезда, которая находится гораздо дальше, вращается вокруг центральной пары, как если бы они были одной звездой. В этих случаях планеты вполне могут вращаться вокруг любой из трех звезд (околозвездные орбиты), или вокруг центральной близкой пары (круговые орбиты), или вокруг всех трех звезд сразу (круговые орбиты) – и были найдены примеры всех трех случаев. Иногда эти планеты даже находятся в ”обитаемых зонах”, что означает, что на их поверхности созданы подходящие условия для наличия жидкой воды, что необходимо для жизни, как мы ее понимаем”.

Однако, если тройная система нестабильна, Кейт говорит, что перспективы действительно “намного менее радужные”.

“Как правило, нестабильные тройные системы, подобные той, что описана в задаче о 3 телах, вероятно, недолговечны в астрофизических терминах – так что время жизни измеряется миллионами лет, а не 10 миллиардов (10 тысяч миллионов) лет, в течение которых будет жить наша Солнечная система. Мы ожидаем, что нестабильная система из трех тел обычно довольно быстро распадается (опять же, под “быстро” мы подразумеваем, по крайней мере, в течение тысяч лет!), при этом одна из звезд полностью выбрасывается из системы. Маловероятно, что планета могла бы жить в нестабильной тройной системе миллиарды лет, необходимые для развития многоклеточной жизни, не говоря уже о том, что достаточно долго для развития развитой цивилизации”.

Это в конечном итоге привело бы к ужасным последствиям для указанной цивилизации, что означает альтернативные способы существования. жилье нужно было бы найти довольно быстро. “Если бы вы жили на планете в изначально стабильной тройной системе, которая стала нестабильной, это, вероятно, стало бы концом вашей цивилизации, если бы вы не действовали”.

Кейт продолжает, говоря о решениях: “Если бы ваша цивилизация развила межзвездные путешествия, и вы знали о планета, находящаяся на стабильной орбите вокруг единственной звезды, к которой можно отправиться – например, Земля – вы, безусловно, хотели бы добраться туда как можно быстрее, поскольку пребывание в нестабильной звездной системе из трех тел, скорее всего, закончится тем, что ваша планета будет выброшена из системы в глубины пространства”.

Насколько “Проблема тела 3” от Netflix реалистична, а насколько полностью вымышлена?

Если вы беспокоитесь о ближайшем будущем, которое похоже на сюжетную линию 3 Body Problem, не бойся. “Хотя идея о планетах в звездных системах с тремя телами правдоподобна, большая часть того, что происходит в сериале, полностью вымышлена – и в противном случае это была бы не очень хорошая история”, – говорит Кейт.

“Мы знаем, что вокруг многих звезд есть планеты, и это множество – возможно, большинство – звезд находятся в нескольких системах, поэтому планеты в звездных системах с тремя телами могут быть довольно распространенными. Мы даже обнаружили планеты в двойных и тройных системах, иногда в местах, где могла бы существовать жидкая вода – и, следовательно, где также могла бы существовать жизнь, подобная нашей собственной. Однако хаотические тройные системы, подобные проблеме с тремя телами, вероятно, недолговечны, поэтому очень маловероятно, что сложная жизнь успеет развиться на планетах в таких системах”.

Кейт продолжает: “У нас очень мало представлений о том, насколько распространена жизнь во Вселенной, но шансы на существование развитой цивилизации на планете, вращающейся вокруг звезды, близкой к нашей, кажутся довольно низкими. Однако, если рядом с нами действительно существует высокоразвитая инопланетная жизнь, наше общение с ними всегда будет ограничено скоростью света – световым волнам требуется более трех лет, чтобы достичь Альфы Центавра, ближайшей звездной системы к нашей собственной. В отличие от задачи о 3 телах, мы не можем общаться быстрее скорости света, используя квантовую запутанность, поскольку этот эффект не позволяет передавать информацию”.

“Наконец, трисоляриане используют ‘софоны’ – многомерные суперкомпьютеры размером с субатомные частицы – для вмешательства в жизнь на Земле. Хотя теоретически существуют более высокие измерения, у нас пока нет прямых доказательств их существования, и даже если они действительно существуют, использование их способом, описанным в 3 Проблема тела, является чистой научной фантастикой.”

Сейчас на Netflix есть 3 Body Problem?

Да, сериал вышел на Netflix 21 марта, так что его можно посмотреть прямо сейчас. Трейлер доступен для просмотра ниже, на случай, если вас все еще нужно убедить. Поклонники научной фантастики, этот фильм для вас!