Вчені досягли прогресу в дослідженні таємниці завдання Трьох Тіл

У науковому співтоваристві відбувся значний прогрес у розумінні однієї з найскладніших проблем у теоретичній фізиці та математиці — задачі трьох тіл. Дослідник з Копенгагенського університету Алессандро Альберто Трані з Інституту Нільса Бора зробив відкриття, яке може трансформувати розуміння гравітаційних взаємодій та багатьох інших фундаментальних аспектів Всесвіту.

Завдання трьох тіл, вперше описане Ісааком Ньютоном, стосується руху трьох точкових мас, що взаємодіють один з одним за допомогою гравітації. На відміну від передбачуваної взаємодії між двома об’єктами, запровадження третього масивного об’єкта робить систему хаотичною та складною для аналізу. Однак, як показали останні дослідження, у цьому хаосі є певні закономірності.

«Завдання трьох тіл — одна з найвідоміших нерозв’язних проблем математики та теоретичної фізики. Теорія стверджує, що при зустрічі трьох об’єктів їхня взаємодія розвивається хаотично, без будь-якої закономірності і зовсім відірвана від вихідної точки», — пояснює Алессандро Альберто Трані. Проте, його команда виявила, що «в цьому хаосі є прогалини — «острівці регулярності», які безпосередньо залежать від того, як три об’єкти розташовані відносно один одного в момент зустрічі, а також від їхньої швидкості та кута зближення».

Для досягнення цього результату Трані розробив програму під назвою Tsunami, яка дозволяє розраховувати рух астрономічних об’єктів на основі законів природи, таких як гравітація Ньютона та загальна теорія відносності Ейнштейна. Програма була налаштована на виконання мільйонів симуляцій зіткнень трьох тіл у рамках певних параметрів. Початковими параметрами для моделювання були положення двох об’єктів на їхній взаємній орбіті та кут підходу третього об’єкта.

Результати цих симуляцій сформували докладну карту всіх результатів, де з’явилися «острова регулярності». Найчастіше, об’єкт із найменшою масою був той, який зрештою викидався із системи після зіткнення. «Якби завдання трьох тіл була чисто хаотичною, ми побачили б тільки хаотичну суміш нерозрізнених точок, де всі три результати змішуються без будь-якого помітного порядку. Натомість із цього хаотичного моря виникають регулярні «острова», де система поводиться передбачувано, що призводить до однорідних результатів — і, отже, однорідних кольорів», — пояснив Трані.

Це відкриття має значні перспективи більш глибокого розуміння гравітаційних хвиль, які випускаються чорними дірками та інші масивними об’єктами. «Якщо ми хочемо зрозуміти гравітаційні хвилі, що випромінюються, то взаємодія чорних дірок при їх зустрічі та злитті має вирішальне значення. У гру вступають колосальні сили, особливо коли трапляються три з них. Тому наше розуміння їхніх зустрічей може стати ключем до розуміння таких явищ, як гравітаційні хвилі, сама гравітація та багато інших фундаментальних загадок Всесвіту», — додав дослідник.

Хоча це відкриття обіцяє великі перспективи, воно також є викликом для дослідників. Чистий хаос — те, що вони вже вміють обчислювати з допомогою статистичних методів, але коли хаос переривається закономірностями, обчислення стають складнішими. «Коли деякі області на цій карті можливих результатів раптово стають регулярними, це порушує статистичні ймовірні розрахунки, що призводить до неточних прогнозів. Тепер наше завдання — навчитися поєднувати статистичні методи з так званими чисельними розрахунками, які забезпечують високу точність, коли система поводиться регулярно», — зазначив Трані.

Дослідження Трані та його команди ніби повернуло завдання «на круги своя», але водночас дає надію на абсолютно новий рівень розуміння у довгостроковій перспективі.