Математики нашли 12 000 новых решений «неразрешимой» задачи трех тел

Задача трех тел — это общеизвестно сложная физико-математическая головоломка и пример того, насколько сложен мир природы. Два объекта, вращающиеся вокруг друг друга, как одинокая планета вокруг звезды, можно описать всего одной-двумя строками математических уравнений. Однако добавьте третье тело, и математика станет намного сложнее. Поскольку каждый объект влияет на другие своей гравитацией, вычисление стабильной орбиты, на которой уживаются все три объекта, является сложной задачей.

Теперь международная группа математиков утверждает, что нашла 12 000 новых решений печально известной проблемы — существенное дополнение к сотням ранее известных сценариев. Их работа была опубликована в виде препринта к базе данных arXiv, то есть еще не прошла рецензирование.

Более 300 лет назад Исаак Ньютон записал свои фундаментальные законы движения, и с тех пор математики работают над решением задачи трех тел. Не существует единственного правильного ответа; вместо этого существует множество орбит, которые могут работать в рамках законов физики для трех вращающихся вокруг объектов. 

В отличие от простой петли нашей планеты вокруг Солнца, орбиты в задаче трех тел могут выглядеть запутанными и запутанными, как крендельки и каракули. 12 000 недавно обнаруженных объектов не являются исключением — три гипотетических объекта начинаются с остановки и, будучи освобождены, притягиваются по различным спиралям друг к другу под действием силы тяжести. Затем они пролетают мимо друг друга, удаляясь все дальше, пока притяжение не берет верх, и они снова не собираются вместе, повторяя этот шаблон снова и снова.

Орбиты «имеют очень красивую пространственную и временную структуру», рассказал ведущий автор исследования Иван Христов, математик из Софийского университета в Болгарии. Христов и его коллеги нашли эти орбиты с помощью суперкомпьютера, и он уверен, что с помощью еще более совершенных технологий он сможет найти «в пять раз больше».

Системы трех тел довольно распространены во Вселенной; существует множество звездных систем с несколькими планетами или даже несколькими звездами, вращающимися вокруг друг друга. Теоретически эти новые решения могут оказаться чрезвычайно ценными для астрономов, пытающихся объяснить космос. Но они полезны только в том случае, если они стабильны, а это означает, что орбитальные схемы могут повторяться с течением времени, не распадаясь на части, выбрасывая один из составных миров в космос . То, что они теоретически стабильны, не означает, что они смогут противостоять множеству других сил, присутствующих в реальной звездной системе.

«Их физическая и астрономическая значимость станет лучше известна после изучения стабильности — это очень важно», — сказал Христов.

Юхан Франк, астроном из Университета штата Луизиана, не принимавший участия в работе, скептически относится к тому, что эти орбиты окажутся стабильными. Они «вероятно, никогда не реализуются в природе», сказал он. «После сложного и в то же время предсказуемого орбитального взаимодействия такие системы трех тел имеют тенденцию распадаться на двойное и ускользающее третье тело, обычно наименее массивное из трех».

Несмотря ни на что, эти решения — математическое чудо. По мнению Христова, «стабильные или нестабильные — они представляют большой теоретический интерес».