Наука20 май 2024

Астрофизик обяснява проблема с трите тела

Сериалът на Netflix по научнофантастична поредица на Лиу Цъсин ни показва как може да изглежда квантовата механика в реално време

Снимка: Wikimedia Commons

Премиерата на „Проблемът с трите тела“ (3 Body Problem) на Netflix беше на 21 март. И да, това е висока класа научна фантастика. Netflix събира сценариста Александър Ву, създателите на „Игра на тронове“ (Game of Thrones) Дейвид Бениоф и Д.Б.Вайс, който адаптира бестселъра на китайския писател Лиу Цъсин, инженер по образование с дълбоки познания във високите нива на физиката.

Историята в трилогията на писателя (поредицата e известна и като Remembrance of Earth's Past), спечели признание за своята визия за бъдещето, базирана на различни идеи от квантовата механика и как те могат да повлияят на бъдеща междузвездна криза. В измислената вселена на „3 Body" събитията се разиграват в реално време в живота на далечен извънземен вид и неговите опити да взаимодейства и да влияе на хората на Земята.

За щастие на публиката, която не заспива и не се събужда с трудовете на Айнщайн, сериалът на Netflix измества голяма част от драмата от небето към хората – дори създава куп изцяло нови герои, за да ни даде персонажи, на които да съчувстваме и да следим техните нелеки съдби. Поредицата на Лиу включва още две продължения на първия роман, докато сериалът следва фабулата на първата книга, след което се завърта в собствена посока за известно време, преди да ни настрои към историите от втория том (вероятно във втори сезон).

Общото между книжния първоизточник и сериала е увеличено изображение на квантовата механика и астрофизика, които са в основата на всички загадъчни космически неща. Основните персонажи са учени (добри и злодеи), чиито решения и конфликти диктуват курса на човечеството както сега, така и в далечното бъдеще. Гледната точка на един реален астрофизик предоставя на читателите си vox.com

Каква е задачата с трите тела и защо никой не може да я реши?

Проблемът с трите тела съществува откакто хората са започнали да разбират гравитацията и как тя работи. Всеизвестно е, че Земята се върти около Слънцето, защото гравитационното поле на звездата ни упражнява притегателна сила върху нашата и всички останали планети в Слънчевата система. Никоя от тези индивидуални гравитационни сфери не е достатъчно мощна, за да се държи самостоятелно в локацията си. Те си взаимодействат със Слънцето и неговото мощно гравитационно поле. Същото е и с Луната – тя е уловена в гравитационното поле на Земята, така че се носим из пространството заедно с нея.

С други думи, два обекта, чиито гравитационни полета си взаимодействат, винаги ще образуват стабилни орбити по предсказуем, непроменлив път. Нютон разбрал това, и дава формулата, предсказваща техните орбити, още през 1687 г. Наричат този процес „проблемът с две тела“. Да допуснем, че в този ансамбъл се включи и друга звезда. Получава се двойна звездна система, където и двете звезди образуват стабилни орбити около гравитационен център. Най-често срещаният вид звезда е тази със стабилен двоичен партньор. Но нашето Слънце е солов изпълнител и подобни системи се срещат рядко. Двойните звездни системи също могат да имат стабилни планети, често те могат да бъдат картографирани, начертани и прогнозирани от астрономи и физици.

Всичко е ясно при наличието само на с два обекта с гравитационни сили. Но при наличието на трети обект в микса, всички залози са изключени. Вместо да се стабилизира, третият елемент създава хаос и кара обектите да летят наоколо и да си взаимодействат по напълно непредсказуеми начини – да се въртят в Космоса, да се блъскат един в друг или да отскачат един от друг в гравитационните сфери и да се клатят в напълно различни посоки.

Ето какво казва по този въпрос астрофизикът д-р Чарлз Дж. Хоровиц, който припомня, че ключът тук е законът за запазване на енергията – в затворена система тя никога не може да бъде създадена или унищожена. „Запазването на енергията предполага, че една планета ще обикаля около една звезда завинаги и никога не може да избяга до безкрайността“, разяснява Хоровиц. С други думи, след като една планета попадне в капана на гравитационното поле на звезда, тя не може да създаде допълнителната енергия, от която ще се нуждае, за да се изтласка от него. „Две звезди, от друга страна, могат да обменят енергия и евентуално да изхвърлят планета в орбита“, пояснява Хоровиц. Тогава възниква „проблемът с трите тела“: как да стабилизираме три гравитационни обекта или да предвидим какви могат да бъдат техните орбити?

Векове наред учените не са успели да намерят начална точка, от която трите обекта да образуват стабилни орбити един спрямо друг. През последните десетилетия те продължават да изследват тази задача без решение – за целта използват изчислителни алгоритми. В моделирането тук-там се появява хипотетичен вариант за създаване на стабилност между трите тела. Но по-голямата част от тези решения са трудни, ако не и невъзможни за пренасяне в реалността.

Книгата и сериалът са посветени на хуманен проблем. Какви са шансовете за оцеляване на една цивилизация, ако тя живее на планета в рамките на звездна система с три слънца. Извънземната раса, наречена трисоларанци, е имала своите цивилизации, заличавани и унищожавани, отново и отново, в продължение на хилядолетия.

Според Хоровиц едва ли е много достоверно на планета с три слънца да се появи и да оцелее цивилизация. Дори орбитите на планети в двузвездни системи са нестабилни и е трудно да допуснем, че там може да вирее някаква форма на живот.

„Ако животът се развива за милиарди години (както е на Земята), такава планета едва ли е в състояние да осигури подходяща среда за живот. Възможно е обаче да има определени конфигурации на трите тела, които са стабилни за дълго време (в космическия смисъл) и могат да бъдат подходящи за живот. Има теоретичен шанс за известно време да се е развила цивилизация, да е съзряла във високотехнологичен смисъл и да се е опита да колонизира подходящи за обитаване планети“, добавя астрофизикът.

Точно такава е ситуацията, пред която са изправени трисоларанците в сериала. Екзистенциалният им проблем, в чието решение са включени и земни умове, е как да разберете и да се подготвите за една хаотична ера, когато не можете да предвидите кога ще настъпи. Те преживяват проблема с трите тела в реално време.

Протони като свръхкомпютри, ядрени взривове в Космоса, задвижващи ракети и дехидратация

Трисоларанците шпионират Земята чрез използването на протон, който е бил доставен на Земята, за да действа едновременно като приемник и предавател. Едната от частите му остава на Трисоларис. Това е възможно чрез умопомрачителен феномен, известен като квантово заплитане. Учените са наблюдавали това свойство в субатомни частици, които по същество работят като едно цяло, дори когато са разделени от милиарди светлинни години. Всъщност, отбелязва д-р Хоровиц, „може би е по-добре да се каже, че двете заплетени частици споделят информацията, вместо да я получават и предават“. С други думи, те не комуникират толкова помежду си, колкото едновременно получават информация от двете места – въпреки че са на напълно различни планети.

В историята на книгата и сериала, за да ползват енергия, земните учени подреждат хиляда ядрени бомби в Космоса и след това ги задействат подред, на принципа на ефекта на доминото. Възниква въпросът, ако това се случи в действителност, няма ли да се наложи човечеството да се справя с гигантски радиоактивен космически облак? Звучи невероятно, дори и за персонажите, които като чуват идеята за първи път от устата на Джин Ченг, избухват в смях и отхвърлят този концепция като абсурдна.

Всъщност идеята на Ченг се основава на реален феномен, известен като ядрено топлинно задвижване, понякога наричано ядрено импулсно задвижване. Ядреното задвижване произвежда много малко радиация, ако двигателите, които го използват, се активират в Космоса, вместо на Земята – и ползите включват намалено потребление на енергия, намалено излагане на космическа радиация и по-бързи ракети. Министерството на енергетиката на САЩ дори има уеб страница, посветена на рекламирането на предимствата на ядреното задвижване. САЩ имат опит с експерименти с ядрено топлинно задвижване. Хоровиц припомня, че „проектът „Орион“, в началото на Студената война, се опита да разработи ракета, „задвижвана от малки атомни бомби“.

Но все пак първата версия на проекта в крайна сметка е отменена, тъй като учените от средата на века не успяли да разрешат големия проблем: почти сигурното смъртоносно ядрено излагане, което би се получило от всеки опит за изстрелване на ракета с ядрена енергия в Космоса от Земята. „Щеше да бъде много добра ракета“, коментира Хоровиц. Съвременните изследвания в тази насока са фокусирани върху изстрелването на подобни ракети от Космоса и ограничаването на излагането на астронавтите на радиация.

„Проблемът с трите тела“ сблъсква науката и фантастиката като два протона. Резултатът е диво, невероятно препускане из дебрите на човешкото въображение, което преминава отвъд разделителната линия на реално или нереално. И все пак не опитвайте това с дехидратирането на телата си у дома... Едва ли ще можете после да се рехидратирате отново. За щастие, някои части от повествованието остават чисто в сферата на фантастиката.