دانشمندان 'جزایر نظم' آرام در مسئله سه‌جسمی آشوبی را شناسایی کردند

دانشمندان می‌توانند به راحتی حرکت دو جسم عظیم را که در فضا تحت تأثیر جاذبه با هم ملاقات می‌کنند، پیش‌بینی کنند.

با این حال، زمانی که سه جسم در فضا با هم تعامل دارند، مسیرهای پیچیده و اغلب غیرقابل پیش‌بینی را ایجاد می‌کند که تعیین موقعیت‌های آینده آنها را دشوار می‌سازد. این پدیده با عنوان مسئله سه‌جسمی شناخته می‌شود.

«مسئله سه‌جسمی یکی از معروف‌ترین مسائل حل‌ناپذیر در ریاضیات و فیزیک نظری است. نظریه می‌گوید هنگامی که سه جسم با هم دیدار می‌کنند، تعامل آنها به‌طور آشوب‌گونه‌ای تکامل می‌یابد، بدون نظم و کاملاً جدا از نقطه شروع ،» الساندرو آلبرتو ترانی، اخترفیزیکدان از دانشگاه کپنهاگ، گفت .

مطالعه‌ای جدید از ترانی و تیمش نشان می‌دهد که مسئله سه‌جسمی به اندازه‌ای که تصور می‌شود آشوبی نیست و در واقع، برخی الگوهای منظمی را دنبال می‌کند. محققان به این الگوها 'جزایر نظم' می‌گویند.

«شبیه‌سازی‌های میلیونی ما نشان می‌دهد که در این آشوب به‌اصطلاح 'جزایر نظم' وجود دارد که به طور مستقیم به نحوه قرارگیری سه جسم نسبت به هم هنگامی که با هم ملاقات می‌کنند و همچنین سرعت و زاویه نزدیکی آنها بستگی دارد،» ترانی افزود.

بررسی میلیون‌ها احتمال

برای درک جزئی مسئله سه‌جسمی، ترانی نرم‌افزار تسونامی را توسعه داد، نرم‌افزاری که شبیه‌سازی‌های تعامل سه‌جسمی در فضا را اجرا می‌کند. تسونامی همه اصول بنیادی مانند جاذبه، نسبیت عام و غیره را در محاسبات خود در نظر می‌گیرد.

با استفاده از نرم‌افزار، نویسندگان مطالعه میلیون‌ها شبیه‌سازی اجرا کردند تا نتایج انواع تعاملات سه‌جسمی را بررسی کنند. آنها حرکت و موقعیت‌های اشیاء در تعاملات مختلف را محاسبه کردند. این آزمایش یافته‌های جالبی را آشکار کرد.

به‌عنوان مثال، نویسندگان مطالعه متوجه شدند که "جسمی که در نهایت از سیستم خارج می‌شود پس از برخورد، در اکثر موارد جسم با کمترین جرم است." با این حال، یک پدیده کاملاً آشوبی نباید به نتایج یکنواختی منجر شود.

شبیه‌سازی‌های تسونامی نیز به یک نقشه منجر شد که همه نتایج ممکن تعاملات سه‌جسمی در فضا را نشان دهد. هنگامی که نویسندگان مطالعه این نقشه را به‌طور دقیق بررسی کردند، چندین ناحیه را کشف کردند که الگوهای منظمی را نشان می‌داد.

«تحلیل ما نشان می‌دهد که مسیرهای منظم بخشی قابل توجه از فضای فاز را اشغال می‌کنند، که بسته به تنظیمات اولیه از ۲۸٪ تا ۸۴٪ متغیر است،» نویسندگان مطالعه اضافه کردند .

این جزایر نظم می‌توانند به دانشمندان کمک کنند تا علم پشت تعاملات سه‌جسمی در فضا را بهتر درک کنند. علاوه بر این، ممکن است اسرار مختلفی مرتبط با امواج گرانشی و جاذبه را آشکار کنند، به گفته محققان.

جزایر نظم نیاز به نظریه‌های جدید دارند

در حالی که کشف الگوهای منظم می‌تواند به دانشمندان فرصتی بدهد تا مسئله سه‌جسمی را از زاویه‌ای جدید بررسی کنند، یافته‌ها همچنین می‌توانند سؤالاتی درباره ارتباط نظریه‌های موجود ایجاد کنند.

حتی اگر برخی نظریه‌ها همچنان مرتبط باقی بمانند، ظهور الگوهای منظمی ممکن است محاسبات مورد نیاز برای پیش‌بینی رفتار اشیاء در طول یک تعامل سه‌جسمی را پیچیده‌تر کند.

«هنگامی که برخی نواحی در این نقشه نتایج ممکن به‌طور ناگهانی منظم می‌شوند، محاسبات احتمالی آماری را به اشتباه می‌اندازد و منجر به پیش‌بینی‌های نادرست می‌شود،» ترانی گفت.

چالش ما اکنون این است که یاد بگیریم چگونه روش‌های آماری را با محاسبات عددی به‌اصطلاح، ترکیب کنیم، که دقت بالایی را هنگامی که سیستم به‌طور منظم رفتار می‌کند، ارائه می‌دهد،» او اضافه کرد.

این مطالعه در مجله نجوم و اخترفیزیک منتشر شده است.