معمای حل‌نشده‌ زمان نیوتن چیست؟

پرتاب موشک، نزدیکترین همسایه ستاره ای ما، نمایش نتفلیکس، همه آنها یک چیز مشترک دارند. آنها باید با “مشکل سه بدن” مقابله کنند. اما این معمای مزاحم فیزیک دقیقاً چیست؟

به گزارش سرگرمی روز به نقل از اسپیس، مسئله سه جسم، منظومه ای را توصیف می کند که شامل سه جسم است که بر یکدیگر نیروی گرانشی وارد می کنند. بیلی کوارلز، یک پویای سیاره ای در دانشگاه ایالتی والدوستا در جورجیا، می گوید: اگرچه ممکن است ساده به نظر برسد، اما یک مشکل بسیار پیچیده و «اولین نگرانی واقعی نیوتن» است.

در سیستمی از دو جسم، مانند یک سیاره و یک ستاره، محاسبه نحوه حرکت آنها در اطراف یکدیگر بسیار ساده است: بیشتر اوقات این دو جسم تقریباً در یک دایره به دور مرکز جرم خود می چرخند و هر بار به از جایی که آنها شروع کردند، اما اگر یک شیء سوم، مانند یک ستاره دیگر، اضافه شود، همه چیز بسیار پیچیده تر می شود. جسم سوم دو مدارگرد را به دور یکدیگر می کشد و آنها را از مسیر قابل پیش بینی خود خارج می کند.

حرکت سه جسم به حالت اولیه، موقعیت، سرعت و جرم آنها بستگی دارد. اگر حتی یکی از این متغیرها تغییر کند، حرکت حاصل می تواند کاملاً متفاوت باشد.

شین راس، ریاضیدان کاربردی در ویرجینیا تک، می‌گوید: «من به آن مانند راه رفتن از یک خط الراس کوه فکر می‌کنم. با یک تغییر کوچک می توانید به راست یا چپ بیفتید. این دو موقعیت شروع بسیار نزدیک هستند و می توانند به حالت های بسیار متفاوت منتهی شوند.

راس می گوید که محدودیت های کافی برای حرکت اجسام برای حل مسئله سه جسم با معادلات وجود ندارد.

اما راه حل هایی برای مشکل سه بدنه پیدا شده است. به عنوان مثال، اگر شرایط اولیه صحیح باشد، سه جسم با جرم مساوی می توانند در یک الگوی هشت به دنبال یکدیگر بیایند. با این حال، چنین راه حل های منظم استثنایی برای سیستم های واقعی در فضا هستند.

شرایط خاص می تواند حل مشکل سه بدنه را آسان تر کند. دنیای تخیلی جنگ ستارگان لوک اسکای واکر را در نظر بگیرید که در آن یک سیاره به دور دو خورشید می چرخد. این دو ستاره و سیاره یک سیستم سه جسمی را تشکیل می دهند. اما اگر سیاره به اندازه کافی دور باشد و به دور هر دو ستاره بچرخد، مشکل را می توان ساده کرد.

کوارلز می گوید: «در مورد تاتوئین، تا زمانی که به اندازه کافی از دو ستاره مرکزی فاصله داشته باشید، جسم را به عنوان یک ستاره واقعا بزرگ تصور می کنید. این سیاره نیروی زیادی به ستاره ها وارد نمی کند زیرا جرم بسیار کمتری دارد، بنابراین منظومه مانند یک مشکل دو جسمی می شود که حل آن آسان تر است. کوارلز گفت که تاکنون دانشمندان بیش از دوازده سیاره فراخورشیدی شبه تاتوئین را کشف کرده اند.

اما اغلب مدارهای سه جسمی هرگز واقعاً تثبیت نمی شوند و مشکل سه جسم با یک انفجار “حل” می شود. به گفته کوارلز، نیروهای گرانشی می توانند باعث برخورد دو جسم از این سه جرم شوند یا می توانند یکی از اجسام را به طور دائم از منظومه خارج کنند، که احتمالاً منشأ سیارات سرگردانی است که به دور هیچ ستاره ای نمی چرخند. در واقع، هرج و مرج سه جسمی ممکن است آنقدر در فضا رایج باشد که دانشمندان تخمین می زنند که ممکن است 20 برابر بیشتر از ستارگان در کهکشان ما سیارات سرگردان وجود داشته باشد.

دانشمندان می توانند از رایانه برای تقریب حرکت اجسام در یک سیستم سه جسمی استفاده کنند. پیش بینی حرکت موشکی که به مدار زمین پرتاب می شود یا پیش بینی سرنوشت یک سیاره در یک منظومه چند ستاره را ممکن می کند.

ممکن است بپرسید که آیا حیات می‌تواند در سیاره‌ای مانند سیاره‌ای که در «مشکل سه بدن» نتفلیکس نشان داده می‌شود زنده بماند.

راس می گوید: فکر نمی کنم در چنین شرایطی محیط پایداری برای توسعه زندگی وجود داشته باشد. این یکی از جنبه هایی است که در قلمرو علمی تخیلی باقی می ماند.