معمای حل‌نشده‌ زمان نیوتن چیست؟

پرتاب موشک، نزدیکترین همسایه ستاره‌ای ما، یک نمایش در نتفلیکس، همه این موارد یک نقطه اشتراک دارند. آن‌ها باید با «مسئله سه جسم» مبارزه کنند. اما این معمای آزاردهنده فیزیک دقیقا چیست؟

به گزارش ایسنا به نقل از اسپیس، مسئله سه جسم، سیستمی را توصیف می‌کند که شامل سه جسم است که نیرو‌های گرانشی بر یکدیگر اعمال می‌کنند. بیلی کوارلز (Billy Quarles)، یک پویایی‌شناس سیاره‌ای در دانشگاه ایالتی والدوستا در جورجیا، می‌گوید: اگرچه ممکن است ساده به نظر برسد، اما این یک مشکل بسیار پیچیده و «اولین نگرانی واقعی نیوتن» است.

در منظومه‌ای از تنها دو جسم، مانند سیاره و ستاره، محاسبه نحوه حرکت آن‌ها به دور یکدیگر بسیار ساده است: در بیشتر مواقع، این دو جرم تقریبا در یک دایره به دور مرکز جرم خود می‌چرخند و هر بار به نقطه‌ای که شروع کرده بودند باز می‌گردند. اما اگر جسم سومی مانند یک ستاره دیگر را اضافه کنید، همه چیز بسیار پیچیده‌تر می‌شود. جسم سوم آن دو را که به دور یکدیگر می‌چرخند جذب می‌کند و آن‌ها را از مسیر‌های قابل پیش‌بینی خود بیرون می‌کشد.

حرکت سه جسم به حالت شروع، موقعیت، سرعت و جرم آن‌ها بستگی دارد. اگر حتی یکی از آن متغیر‌ها تغییر کند، حرکت حاصل می‌تواند کاملا متفاوت باشد.

شین راس (Shane Ross)، ریاضیدان کاربردی در ویرجینیا تک، می‌گوید: من اینگونه فکر می‌کنم که گویی در حال راه رفتن روی خط الراس کوه هستید. با یک تغییر کوچک، ممکن است یا به سمت راست بیفتید یا به سمت چپ. این دو موقعیت اولیه بسیار نزدیک هستند و می‌توانند به حالت‌های بسیار متفاوت منتهی شوند.

راس می‌گوید که محدودیت‌های کافی برای حرکت اجسام برای حل مسئله سه جسم با معادلات وجود ندارد.

اما راه حل‌هایی برای مشکل سه جسم پیدا شده است. به عنوان مثال، اگر شرایط شروع درست باشد، سه جسم با جرم مساوی می‌توانند یکدیگر را در الگوی هشتم تعقیب کنند. با این حال، چنین راه حل‌های منظمی از سیستم‌های واقعی در فضا استثنا هستند.

برخی شرایط می‌توانند تجزیه مشکل سه جسم را آسان‌تر کنند. دنیای ساختگی لوک اسکای واکر از «جنگ ستارگان» به نام تاتوین را در نظر بگیرید که در آن سیاره‌ای به دور دو خورشید می‌چرخد. آن دو ستاره و سیاره یک سیستم سه جسمی را تشکیل می‌دهند. اما اگر سیاره به اندازه کافی دور باشد و به دور هر دو ستاره هم بچرخد، می‌توان مشکل را ساده کرد.

کوارلز می‌گوید: در مورد تاتوین، تا زمانی که به اندازه کافی از دو تا ستاره مرکزی فاصله داشته باشید، این جسم را به عنوان یک ستاره واقعاً بزرگ تصور می‌کنید. این سیاره نیروی زیادی به ستارگان وارد نمی‌کند، زیرا جرم بسیار کمتری دارد، بنابراین منظومه شبیه مسئله دو جسمی می‌شود که راحت‌تر قابل حل است. کوارلز می‌گوید که تاکنون، دانشمندان بیش از دوازده سیاره فراخورشیدی شبه تاتوئین پیدا کرده‌اند.

اما اغلب، مدار‌های سه جسم هرگز به طور واقعی تثبیت نمی‌شوند و مشکل سه جسم با یک انفجار «حل» می‌شود. به گفته کوارلز، نیرو‌های گرانشی می‌توانند باعث برخورد دو جسم از این سه جسم شوند، یا می‌توانند یکی از اجسام را برای همیشه از منظومه به بیرون پرتاب کنند که احتمالا منبع سیاره‌های سرگردانی است که به دور هیچ ستاره‌ای نمی‌چرخند. در واقع، هرج و مرج سه جسمی ممکن است در فضا آنقدر رایج باشد که دانشمندان تخمین می‌زنند ممکن است ۲۰ برابر تعداد ستاره‌های کهکشان ما سیارات سرگردان وجود داشته باشد.

دانشمندان می‌توانند از رایانه برای تقریب حرکت اجسام در یک سیستم سه جسمی استفاده کنند. این امکان پیش‌بینی حرکت موشکی را که به مدار زمین پرتاب می‌شود، یا پیش‌بینی سرنوشت سیاره‌ای در منظومه‌ای با چندین ستاره را می‌دهد.

شاید بپرسید آیا موجودی می‌تواند در سیاره‌ای مانند سیاره‌ای که در «مسئله سه جسم» نتفلیکس نشان داده شده است، زنده بماند یا خیر.

راس می‌گوید: فکر نمی‌کنم در چنین شرایطی، محیطی پایدار برای تکامل حیات وجود باشد. این یکی از جنبه‌هایی است که همچنان در قلمرو علمی تخیلی باقی می‌ماند.