Задача трёх тел – ключ к будущему Земли: нерешаемая загадка получила признание в искусстве

Новый научно-фантастический сериал Netflix «Задача трёх тел» (3 Body Problem) заимствует название у реальной математической загадки, озадачивающей учёных с конца 1600-х годов. Проблема из области физики касается движения трёх объектов, находящихся в гравитационном захвате друг друга, например, системы из трёх звёзд. Несмотря на кажущуюся простоту, расчёт орбитальных траекторий каждого объекта усложнен.

В отличие от систем двух тел, где орбиты предсказуемы и периодичны, добавление третьего тела приводит к хаосу, делая точное прогнозирование практически невозможным. Траектории в такой системе часто напоминают запутанные макароны, и их стабильность значительно ниже, чем у систем с двумя телами.

Исаак Ньютон впервые описал проблему в 1687 году, заметив, что во время того, как планеты движутся по эллиптическим орбитам вокруг Солнца, гравитационное притяжение Юпитера, похоже, влияет на орбитальный путь Сатурна. Однако полного решения Ньютон так и не нашёл, и загадка оставалась нерешённой на протяжении почти 200 лет.

В 1889 году математик Анри Пуанкаре был награждён за эссе о проблеме трёх тел, в котором он заложил основы новой математической теории — теории хаоса, которая предполагает, что начальная неопределённость условий системы приводит к увеличению непредсказуемости её будущего состояния.

Решение проблемы трёх тел могло бы помочь учёным точно прогнозировать движение метеоров и планет, включая Землю, на очень далёкое будущее, что имеет большое значение для понимания климата. Хотя задача считается математически неразрешимой в общем случае, существуют решения для специфических сценариев. Например, возможны стабильные орбиты трёх тел, расположенных в форме восьмёрки или равномерно распределённых вокруг кольца.

В исследованиях также используются «ограниченные» задачи трёх тел, где два основных объекта взаимодействуют с третьим объектом меньшей массы, что упрощает задачу. Однако для систем, подобных той, что представлена в сериале Netflix, задача становится гораздо сложнее.

Поиск решений задачи трёх тел имеет ключевое значение для космических путешествий. Используя компьютерные симуляции, учёные могут создавать целые библиотеки возможных траекторий, что расширяет понимание потенциальных движений в космосе.