Fizicienii se apropie de îmblânzirea „Problemei celor trei corpuri”
Fizicienii au petrecut secole luptându-se cu un adevăr incomod despre natură: cu care se confruntă trei stele pe un curs de coliziune, astronomii și-ar putea măsura pozițiile și viteza în nanometri și milisecunde și acest lucru nu ar fi suficient pentru a prezice soarta stelelor.
Dar universul colectează în mod repetat triouri de stele și găuri negre. Dacă astrofizicienii speră să înțeleagă regiunile în care corpurile cerești se amestecă în mulțimi, trebuie să se confrunte cu „problema celor trei corpuri”.
În timp ce rezultatul unui singur eveniment în trei corpuri este necunoscut, cercetătorii explorează cum să prezică rezultatul unor grupuri mari de interacțiuni tripartite. În ultimii ani, diferite grupuri au aflat cum să facă predicții statistice ale potrivirilor ipotetice cu trei corpuri: De exemplu, dacă Teren Încurcat cu Marte și Mercur de mii de ori, de câte ori va fi expulzat Marte? Acum, o nouă perspectivă dezvoltată de fizicianul Barack Cole simplifică „problema cu trei corpuri” probabilistică, analizând-o dintr-o nouă perspectivă abstractă. Rezultatul îndeplinește unele dintre cele mai exacte predicții de până acum.
„Funcționează foarte bine”, a spus Nathan Lee, astronom la Universitatea din Concepción din Chile, care a participat la testarea noului model. „Cred că Barack [model] Acum este cel mai bun. ”
Legate de: Cele mai mari 18 mistere nerezolvate ale fizicii
Cât de mare este mizeria?
Când gravitația aduce două obiecte împreună, posibilele consecințe sunt simple. Obiectele se pot mări unul la altul sau pot intra pe o orbită eliptică în jurul unui centru comun de masă. Isaac Newton El a fost capabil să scrie ecuații concise care surprind aceste mișcări în secolul al XVII-lea.
Dar dacă o stea se apropie de o pereche de stele care orbitează deja una pe cealaltă, Pariurile s-au încheiat. Un intrus poate mări într-un mod previzibil. Sau ar putea intra în luptă, începând o perioadă de episoade și distrageri furioase care ar putea dura câteva momente sau ani. În cele din urmă, hype-ul dispare întotdeauna când una dintre cele trei stele este aruncată de la celelalte două. Va urma unul dintre cele două scenarii: dacă a treia roată are suficientă putere, ea fuge, lăsând perechea să trăiască în pace. Sau, dacă nu, această a treia ființă va aluneca din nou doar în pereche și va declanșa un alt episod de haos.
Celebrul matematician Henri Poincaré a arătat în 1889 că nicio ecuație nu putea prezice cu exactitate pozițiile a trei corpuri în toate momentele viitoare. Câștigarea competiției Sponsorizat de regele Suediei Oscar II. În această stare cu trei corpuri, Poincaré a descoperit primul haos, un fenomen al cărui rezultat ar putea fi efectiv decuplat de modul în care a început.
Deoarece predicțiile idealiste ale evenimentelor individuale formate din trei corpuri sunt imposibile, fizicienii s-au orientat către predicții statistice. Având în vedere informații generale despre cele trei corpuri, cum ar fi energia și rotația lor colectivă, ce se poate spune despre șansele, să zicem, că cel mai ușor va fi în cele din urmă evacuat?
Legate de: 11 cele mai frumoase ecuații matematice
Pentru a reflecta asupra acestei probleme, fizicienii au abandonat fundalul familiar al spațiului tridimensional și s-au mutat într-un câmp abstract cunoscut sub numele de „spațiu de fază”. În această nouă lume vastă, fiecare punct reprezintă o posibilă configurație a celor trei stele: adică o poziție tridimensională, viteza tridimensională și masa fiecăruia dintre cele trei corpuri – un spațiu neschimbat de 21 de dimensiuni, spune toată lumea. Un eveniment specific format din trei corpuri (cum ar fi zborul unei singure stele către o pereche) începe la un moment dat în spațiul de fază și urmează o cale pe măsură ce evoluează de la o configurație la alta.
În acest sens, fizicienii au reușit să folosească haosul în avantajul lor. Pentru un sistem dezordonat, nu există doar un singur rezultat posibil, ci multe. Aceasta înseamnă că, dacă lăsați sistemul cu trei corpuri să evolueze în timp, acesta va explora fiecare cale posibilă haotică, ajungând în cele din urmă la fiecare colț al unei zone haotice din spațiul său evoluat. Pentru problema celor trei corpuri, oamenii de știință pot calcula, statistic, unde ar putea ajunge fiecare obiect, calculând cu precizie volumul din spațiul de fază care reprezintă mișcarea haotică.
Fizicienii au folosit cerințe precum Legile conservării Pentru a reduce aria întregii scene într-un „loc de joacă” mai simplu de opt dimensiuni. Dar delimitarea precisă a regiunii haotice (de asemenea, opt-dimensionale) în interiorul acesteia a fost o provocare, în parte deoarece trei corpuri care orbitează pe o orbită comună pot sări între mișcarea haotică și mișcarea regulată (prin expulzarea temporară a obiectului). Multe grupuri au imaginat dimensiunea spațiului haotic în diferite moduri, culminând cu punctul culminant Forma finală De Nicholas Stone, de la Universitatea Ebraică din Ierusalim, și de mine în 2019, care au anulat ipotezele anterioare privind construirea celui mai precis și mai riguros model din trei corpuri până în prezent.
„Nu o poți face mai bine decât noi”, a spus Lee, care este afiliat și la Muzeul American de Istorie Naturală din New York. „Singurul lucru pe care îl puteți face este să veniți cu un alt model.”
Această teorie a avut un impact imens asupra soluției [the statistical three-body model]”
Viraj Manawadkar
Un balon dezordonat care scurge apă
Exact asta a făcut Cole de la Universitatea Ebraică din Ierusalim. Stone, Leigh și grupurile anterioare s-au concentrat asupra granițelor acelei regiuni haotice, care este locul în care cele trei sisteme ale corpului trec de la haos la mișcarea regulată prin expulzarea unui singur corp.
În contrast, Cole, la Universitatea Ebraică din Ierusalim, studiază o „decalare” metaforică în volumul haotic în care este probabil să se producă o astfel de tranziție. Cu cât sistemul cu trei corpuri se retrage mai mult în interiorul regiunii haotice, cu atât este mai probabil să găsești o astfel de gaură, să scoți un organ și să scapi de mișcarea haotică. Cole crede că natura acestei ieșiri vă spune tot ce trebuie să știți despre problema statistică cu trei corpuri.
Stone a spus că abordarea anterioară a lui Stone Lee a descris zona haotică ca „un balon și întreaga suprafață cu scurgeri mici și aceeași scurgere peste tot”. Barack [Kol]Abordarea este de a spune: „Nu, balonul are perforații separate și unele pete care scurg mai mult decât altele”.
Kol surprinde forma ieșirilor din balonul dezordonat într-o funcție misterioasă numită absorbție haotică – șansele ca un cuplu stelar liniștit cu o anumită energie să intre în dezordine dacă le trageți cu o a treia stea (spre deosebire de o pereche care imediat respinge un nou venit). Folosind această funcție și cadrul Kol, se poate răspunde, în principiu, la orice întrebare statistică despre întreaga zonă de fază în toată gloria sa multidimensională, cum ar fi atunci când trio-ul iese dintr-un membru (în medie), probabilitățile că va zbura la o anumită viteză și gama de forme Posibilă pentru orbita perechii rămase. Teoria sa a fost publicată pe 1 aprilie în jurnal Mecanica cerească și astronomie dinamică.
Această teorie a avut un impact imens asupra soluției [the statistical three-body model]Viraj Manuadkar, cercetător la Universitatea din Chicago, care ajută la testarea modelului, a spus. „Este simplificat [the problem] până acum „.
Cine primește pantoful?
Până în prezent, ideile lui Cole par promițătoare. Într-o lucrare neevaluată de colegi publicată într-o bază de date de preimprimare arXiv În ianuarie, Manawadkar, Cole, Lee și Alessandro Trani de la Universitatea din Tokyo au purtat o bătălie regală pentru a vedea cum teoria lui Cole a rezistat altor previziuni statistice cu trei corpuri.
Au rulat milioane de simulări amestecând triouri de stele de diferite mase pentru a vedea de câte ori fiecare stea a fost evacuată din constelație. Când stelele au aceeași masă, imprevizibilitatea mișcării haotice asigură tuturor că are o treime șanse de a obține pantoful – nu sunt necesare modele fanteziste.
Dar atunci când masele sunt deviate, apare un model: stelele mai ușoare sunt mai ușor de scos, așa că atunci când cele trei corpuri au 10 sori (de 10 ori masa soarelui), atunci masele lor sunt de 15 și 20 de sori, de exemplu, 10- steaua Soarelui este aruncată în 78% din simulări. Teoria lui Cole a confirmat această predicție, în timp ce teoriile concurente au prezis că greutatea ușoară va fi ejectată între 70% și 87% din timp. Noul cadru funcționează cel mai bine acolo unde publicul devine dezechilibrat.
„Aceste predicții sunt foarte precise”, a spus Stone.
De la stele digitale la astrofizică
Faptul că nimeni nu știe să descrie cu exactitate forma găurii, funcția de absorbție haotică (care, la rândul său, este un obiect complex, multidimensional). Teoria excelează la prezicerea obiectului care va fi expulzat deoarece acest calcul specific este „medii” într-un sens peste multe găuri diferite, ceea ce eliberează cercetătorii de a lucra la detalii.
Dar pentru a face genul de predicții la care țin cu adevărat astrofizicienii, cum ar fi formele tipice ale orbitelor eliptice ale perechilor stelare lăsate în urmă după o întâlnire dezordonată din trei corpuri, absorbția haotică contează foarte mult. Modelul din 2019 al lui Stone și Leigh, care calculează volumul regiunii haotice peste opt dimensiuni, poate efectua aceste predicții.
Pentru a ajuta modelul Kol să facă predicții similare, Manwadkar intenționează să ruleze mai multe simulări de stele unice care se ciocnesc cu perechi, ceea ce va ajuta la trasarea formei misterioasei funcții de absorbție punct cu punct. În cele din urmă, el speră să aibă o ecuație frumoasă care să descrie pe deplin forma acesteia și să rezolve problema statistică cu trei corpuri.
„Visul devine Atlet Expresia „, a spus Manuadkar, care va permite obținerea celor mai exacte predicții statistice până acum.
Dacă cercetătorii vor reuși, următorul pas ar fi să aflăm ce spune teoria despre accidentele reale ale haosului celor trei corpuri din univers.
Stelele se pot concentra în grupuri stelare dense în care se întâlnesc în mod regulat perechi, iar simulările cu corp triplu ajută cercetătorii să înțeleagă modul în care milioane de evenimente cu corp triplu schimbă astfel de clustere în timp. Se crede că întâlnirile cu trei căi între găurile negre lasă în urmă niște perechi care fuzionează și trimit undele gravitaționale. O soluție statistică bună cu trei corpuri îi poate ajuta pe astrofizicienii de la Observatorul Laser Interferometer Gravitational Wave Scale (LIGO) și viitoarele detectoare de unde gravitaționale să înțeleagă mai bine observațiile lor.
„Ceea ce mă entuziasmează este implementarea unuia sau a ambelor [models] Pentru problemele de astrofizică „, a spus Stone.
Publicat inițial pe Live Science.
„Creator. Amator de cafea. Iubitor de internet. Organizator. Geek de cultură pop. Fan de televiziune. Mândru foodaholic.”