Книга Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной - Калеб Шарф

Согласно Пуанкаре, если у тебя есть звезда, вокруг которой по орбитам вращаются две планеты, нет никакого способа точно рассчитать поведение этой системы в будущем (и прошлом) при помощи пера и бумаги. Если планет больше двух – то есть мы имеем дело с произвольной системой из n тел – задача становится еще более безнадежной. Исключений совсем немного, и это весьма затейливые частные случаи, когда, например, третье тело очень мало и его гравитационным воздействием можно пренебречь.

Это было смелое заявление, и новый математический подход Пуанкаре намекал на ту сторону существования Вселенной, которую мы только-только начали замечать под плотными покровами классической физики, а полностью обнажили лишь в следующем, ХХ столетии. Это свойство мироздания называется хаосом, и к нему я скоро вернусь.

Как выяснилось, когда Пуанкаре доказал, что задача n тел не имеет решения, то сделал огромный шаг вперед на пути прогресса науки, однако ученым еще предстояло обнаружить, что здесь таятся и вовсе диковинные подробности. Подобраться к сути задачи было отнюдь не просто, и прошло почти сто лет, прежде чем результат удалось уточнить. В 1990 годы[119] очень красивая работа китайского математика по имени Кидон (Дон) Ван показала, что задача n тел на самом деле может быть решена алгебраическими методами. Однако с одной оговоркой – правда, очень серьезной: для этого нужно было найти сумму ряда из нескольких миллионов членов. Иначе говоря, на самом деле можно написать алгебраическую формулу, которая расскажет все о поведении n тел, однако на это уйдет вечность. К тому же, пока все сложишь, придется сделать столько округлений, что накопившаяся погрешность лишит ответ всякого смысла.

* * *

Тайная природа планетных систем, которая со времен Пуанкаре стала гораздо более явной, дает нам очень важную подсказку. Уравнения, которые описывают движения планет, не способны учесть и проконтролировать крошечные неопределенности в вычислениях, мелкие погрешности, которые впоследствии, накопившись, подрывают нашу способность что-либо спрогнозировать. Сама природа полна отклонений, и переплетение взаимодействий в планетной системе делает ее крайне чувствительной к подобным переменам. Микроскопическая пылинка там и сям способна в самом буквальном смысле слова повлиять на движение светил – дайте только срок.

Чувствительность системы и уравнений, которые ее описывают, – фундаментальное свойство природы. Ее часто называют нелинейностью[120], поскольку между любыми переменами в системе и тем, как она на них реагирует, нет простого однозначного соответствия. Это примерно как осторожно тыкать палкой огромного пса: легкий толчок может вызвать как миролюбивое тявканье, так и вполне справедливую ярость – ответ нелинеен. А нелинейные системы занимают в мироздании особое место, поскольку способны реагировать хаотично.

Строго говоря, это не хаос чертей и демонов, не отказ от любого порядка и причинности, а хаос математический, хаос, который не всегда приводит к беспорядку и разрушению (все зависит от мельчайших подробностей). Суть его – непредсказуемость, невозможность выяснить, что таит будущее. Так что та или иная пылинка, то или иное отклонение в структуре планеты или то или иное изменение ее положения на орбите не просто способны привести к радикальным переменам в будущем – эти перемены не всегда можно предсказать. Это относится и ко многим другим сложным системам. Нелинейность относится и к климату и погоде на Земле, и к капризам экономики и фондового рынка. Неопределенность встроена во Вселенную на самом глубинном уровне. Подобного типа хаос вполне может быть укоренен и в планетных системах, и факт остается фактом: любые планетные системы потенциально способны быть хаотическими. Это двойной удар по задаче n тел и по определению орбитальных траекторий на долгий период времени: невозможно решить уравнения движения на практике, вручную, и даже если бы мы могли это сделать, система в любой момент способна впасть в непредсказуемое хаотическое состояние. Такова неприятная правда, которую Пуанкаре имел сомнительное счастье обнаружить.

* * *

Однако нам повезло: за век, прошедший после революционного труда Пуанкаре, появился новый инструмент, который позволяет нам разведывать джунгли динамических вероятностей. Этот инструмент – компьютер: тонкие платы из химически измененного кремния с какой-то давно погасшей звезды, который когда-то входил в геологическую структуру нашей планеты, а потом был добыт, химически очищен и заново кристаллизован людьми, после чего из него были созданы микроскопические машинки, чтобы гонять туда-сюда электроны.

Прелесть компьютера в том, что благодаря его грубой силе, позволяющей перемалывать огромные массивы чисел, мы получаем возможность прямо смоделировать поведение гравитационных систем. Мы можем моделировать притяжение планет в любой момент и рассчитать их траектории секунда за секундой, неделя за неделей, год за годом и эпоху за эпохой. При этом мы с помощью математического анализа, математики бесконечно малых величин, строим виртуальные миры, виртуальные планетные системы, которые ведут себя почти так же, как настоящие, даже с учетом хаоса.

А главное достоинство подобных компьютерных систем – то, что мы не просто в считанные часы и дни симулируем миллиарды лет движения планет, а еще и можем повторять это сколько угодно и рассматривать столько непредсказуемых сценариев будущего, сколько способны переварить. И пусть царствует хаос – зато мы можем по крайней мере приблизиться к пониманию того, сколько возможных сценариев будущего ведут нас в том или ином направлении, и таким образом составить карту сравнительных вероятностей тех или иных результатов.

Исследователи этого виртуального ландшафта сделали много выдающихся открытий. Некоторые первые компьютерные эксперименты по долгосрочным расчетам планетного движения в нашей Солнечной системе провели Жак Ласкар[121], который тогда работал в парижском Бюро долгот, а также Джеральд Суссман и Джек Уиздом[122] из Массачусетского технологического института, в конце восьмидесятых – начале девяностых годов ХХ века. При помощи самых разных математических подходов эти ученые попытались проследить изменения орбит, которые, вероятно, происходили за миллионы и даже сотни миллионов лет из-за крошечных, но накапливавшихся изменений условий. Исследователи даже изучили, какова была Солнечная система в прошлом, обратили время вспять и подробно изложили историю изменения орбит, причем Ласкар забрался в прошлое на целых 200 миллионов лет нашего гипотетического динамического наследия. В наши дни уже проведено много других экспериментов по моделированию гравитации, в ходе которых было изучено поведение различных подмножеств планет – и внутренних, и внешних, гигантов вроде Юпитера сотоварищи, – и даже капризы одинокой орбиты Плутона. А теперь ученые запустили в движение модель всей системы крупных планет – и получили интересные результаты, подтвердившие давние подозрения. Хаос оказывает мощное воздействие и на саму Солнечную систему.