فیزیک‌دانان به حل کردن کردن هرج‌و‌مرج «مشکل سه جسمی» نزدیک می‌شوند.

منتشر‌شده در livescience به تاریخ ۵ مه ۲۰۲۱
لینک منبع Physicists get close to taming the chaos of the 'three-body problem'

فیزیک‌دانان قرن‌ها با یک حقیقت ناخوشایند درباره طبیعت دست‌و‌پنجه نرم کرده‌اند: در مواجهه با سه ستاره در یک دوره برخورد، ستاره‌شناسان می‌توانستند مکان و سرعت خود را در عرض چند نانومتر و میلی‌ثانیه اندازه‌گیری کنند و این برای پیش‌بینی سرنوشت ستاره‌ها کافی نبود. اما کیهان اغلب سه تا از ستاره‌ها و سیاه‌چاله‌ها را کنار هم می‌آورد. اگر فیزیک‌دانان به درک کامل مناطقی که اجرام سماوی در میان جمعیت درهم می‌آمیزند، امید داشته باشند، باید با مشکل «سه جسمی» روبرو شوند.

در‌حالی‌که نتیجه یک رویداد سه جسمی ناشناخته است، محققان در حال کشف چگونگی پیش‌بینی طیف وسیعی از نتایج گروه‌های بزرگ از تعاملات سه جسمی هستند. در سال‌های اخیر، گروه‌های مختلفی کشف کرده‌اند که چگونه پیش‌بینی‌های آماری از رقابت‌های فرضی سه جسمی انجام دهند: به عنوان مثال، اگر زمین هزاران بار با مریخ و عطارد درگیر شود، مریخ چند بار بیرون خواهد آمد؟ اکنون، یک دیدگاه تازه که توسط فیزیک‌دان باراک کل توسعه‌یافته است، «مشکل سه جسمی» احتمالی را با نگاه کردن به آن از یک دیدگاه انتزاعی جدید ساده می‌کند. نتیجه هنوز به برخی از دقیق‌ترین پیش‌بینی‌ها دست یافته است.

ناتان لی، ستاره‌شناس دانشگاه کانسپسیون در شیلی که در آزمایش مدل جدید درگیر است گفت: «این واقعا خوب است.» «من فکر می‌کنم که مدل براکز در حال حاضر بهترین مدل است.»

شاید مطالعه مقاله دو سیاه‌چاله که نور روز را از فضا-زمان در تجسم سه بعدی ناسا منحرف می‌کنند. برای شما جذاب باشد.

حجم هرج و مرج چیست؟

وقتی جاذبه دو جسم را به هم نزدیک می‌کند، نتایج بالقوه ساده هستند. اشیا ممکن است با یکدیگر دچار بزرگنمایی شوند، یا ممکن است وارد مدار بیضوی حول مرکز مشترک جرم شوند. اسحاق نیوتن قادر به نوشتن معادلات مختصری بود که این حرکات را در دهه ۱۶۰۰ ثبت می‌کردند. اما اگر یک ستاره به یک جفت ستاره که در حال گردش به دور یکدیگر هستند نزدیک شود، همه شرط‌ها از بین خواهند رفت. مزاحم ممکن است به شیوه‌ای قابل‌پیش‌بینی زوم (بزرگنمایی)کند. یا می‌تواند وارد نزاع شود، دوره‌ای از حلقه‌های خشمگین را آغاز کند و تغییر جهت دهد که ممکن است برای چند لحظه یا سال‌ها طول بکشد. در نهایت، وقتی یکی از سه ستاره از دو ستاره دیگر خالی می‌شود، خشم همیشه فروکش می‌کند. یکی از دو سناریو به شرح زیر خواهد بود: اگر چرخ سوم انرژی کافی داشته باشد، از دست خواهد رفت و باعث خواهد شد که این زوج در آرامش زندگی کنند. یا اگر این کار را نکند، آن شی سوم به سرعت دور می‌شود تا دوباره به سمت آن زوج برگردد و اپیزود دیگری از ضرب و شتم را شروع کند.

هانری پوانکاره، ریاضیدان بخارپز، در سال ۱۸۸۹نشان داد که هیچ معادله‌ای نمی‌تواند موقعیت هر سه جسم را در تمام لحظات آینده به درستی پیش‌بینی کند و در رقابتی که توسط اسکار دوم پادشاه سوئد حمایت می‌شود پیروز شود. در این مورد سه جسمی، پوانکاره اولین نمونه هرج و مرج را کشف کرده بود، پدیده‌ای که نتیجه آن می‌تواند به طور موثر از چگونگی شروع آن جدا شود. از آنجا که پیش‌بینی‌های کامل برای هر رویداد سه جسمی غیرممکن است، فیزیک‌دانان به سمت پیش‌بینی‌های آماری روی آوردند. با توجه به اطلاعات کلی در مورد این سه جسم، مانند انرژی آن‌ها و چرخش جمعی آن‌ها، چه چیزی می‌تواند در مورد احتمال اینکه، برای مثال، سبک‌ترین فرد سرانجام بیرون انداخته شود، بگوید؟

برای بررسی این مسئله، فیزیک‌دانان پس‌زمینه آشنای فضای سه‌بعدی را رها کرده و به عرصه انتزاعی معروف به «فضای فاز» نقل‌مکان کرده‌اند. در این قلمرو گسترده جدید، هر نقطه یک پیکربندی ممکن از سه ستاره را نشان می‌دهد: که یک موقعیت سه‌بعدی، یک سرعت سه‌بعدی و یک جرم برای هر یک از این سه جسم است-یک فضای تغییر ناپذیر ۲۱ بعدی، همه گفته می‌شود. یک رویداد سه جسمی خاص (مانند یک ستاره که به سمت یک جفت پرواز می‌کند) در نقطه‌ای از فضای فاز آغاز می‌شود و مسیری را که از یک پیکربندی به پیکربندی دیگر تکامل می‌یابد، ردیابی می‌کند.

در این چارچوب، فیزیک‌دانان توانسته‌اند از آشوب به نفع خود استفاده کنند. برای یک سیستم آشفته، تنها یک نتیجه ممکن وجود ندارد، بلکه بسیاری از آن‌ها وجود دارند. این بدان معنی است که اگر شما اجازه دهید سیستم سه جسمی در طول زمان تکامل یابد، هر مسیر ممکن پر‌هرج‌و‌مرج را کشف خواهد کرد، و در نهایت به هر گوشه و کنار یک منطقه پر‌هرج‌و‌مرج از فضای فاز خود می‌رسد. برای مسئله سه جسمی، دانشمندان می‌توانند به صورت آماری محاسبه کنند، که در آن هر جسم ممکن است با محاسبه دقیق حجم داخل فضای فازی خود که حرکت آشوب آمیز را نشان می‌دهد، به پایان برسد.

فیزیک‌دانان از الزاماتی مانند قوانین حفاظت برای کاهش فضای فاز به یک «زمین‌بازی» ساده‌تر از هشت بعد استفاده کرده‌اند. اما به طور دقیق منطقه آشوب (هشت بعدی) که درون آن یک چالش بوده است را تعریف می کند، تا حدی به این دلیل که سه جسم هم‌گردش می‌توانند بین حرکت آشوب و حرکت منظم حرکت کنند (با لگد زدن موقت به جسم). گروه‌های مختلف حجم فضای پر‌هرج‌و‌مرج را به روش‌های مختلف تصور کرده‌اند که به یک مدل قطعی توسط نیکلاس استون، از دانشگاه عبری اورشلیم و لی در سال ۲۰۱۹منتهی می‌شود که فرضیات گذشته را حذف کرد تا دقیق‌ترین مدل سه‌جسمی را تا به امروز بسازد. لی که همچنین وابسته به موزه تاریخ طبیعی آمریکا در نیویورک است گفت: «شما نمی‌توانید این کار را بهتر از ما انجام دهید.» «تنها کاری که می‌توانید انجام دهید این است که یک مدل متفاوت داشته باشید.»

ممکن است علاقمند به مطالعه مقاله فیزیک‌دانان یک نقطه کوانتومی می‌سازند که می‌تواند ماهیت ماده تاریک را افشا کند! باشید.

یک بادکنک پر از هرج‌و‌مرج

این دقیقا همان چیزی است که کل، همچنین دانشگاه عبری اورشلیم، انجام داده است. استون و لی و گروه‌های قبلی بر مرز آن منطقه پر‌هرج‌و‌مرج تمرکز کرده‌اند، جایی که در آن سیستم‌های سه جسمی از آشوب به حرکت منظم با ضربه زدن به یک جسم تبدیل می‌شوند.

کول، در دانشگاه عبری اورشلیم، در مقابل، یک «سوراخ» استعاری را در حجم پر‌هرج‌و‌مرج مطالعه می‌کند، جایی که چنین انتقالی به احتمال زیاد رخ می‌دهد. هر چه یک سیستم سه جسمی بیشتر در داخل منطقه پر‌هرج‌و‌مرج گردش کند، احتمال یافتن چنین حفره‌ای، بیرون ریختن یک عضو و فرار از حرکت پر‌هرج‌و‌مرج بیشتر است. کل معتقد است که ماهیت این خروج یا خروجها، هر چیزی که در مورد مشکل آماری سه جسمی وجود دارد را به شما می‌گوید.

استون گفت: «روش قبلی استون و لیتون منطقه پر‌هرج‌و‌مرج را اینگونه تصور می‌کرد:» یک بادکنک و کل سطح آن کمی نشتی دارد و در همه جا همان نشتی را دارد. «رویکرد باراک می‌گوید که» نه، بالن سوراخ‌های گسسته و برخی از تکه‌هایی دارد که نشت می‌کنند. کل شکل خروج از بالون آشفته را در یک تابع مرموز به نام جذب آشوب می‌گیرد-احتمال اینکه یک زوج ستاره آرام با انرژی مشخص، اگر یک ستاره سوم را به سمت آن‌ها پرتاب کنید، دچار هرج‌و‌مرج خواهند شد (بر‌خلاف آن زوج که بلافاصله با تازه‌واردان مقابله می‌کنند). با استفاده از این تابع و چارچوب کولز، در اصل، می‌توان به هر سوال آماری در مورد کل فضای فاز در تمام شکوه چند بعدی آن پاسخ داد، مانند زمانی که یک سه نفر یک عضو را رد می‌کنند (به طور متوسط)، احتمال اینکه با یک سرعت خاص پرواز کند، و طیف اشکالی که ممکن است برای مدار جفت باقی مانده باشند.

نظریه او در ۱ آوریل در مجله مکانیک آسمانی و ستاره‌شناسی دینامیک منتشر شد. ویرج مانودکار، محققی در دانشگاه شیکاگو که به آزمایش این مدل کمک می‌کند، گفت که این نظریه «در حل [ مدل آماری سه جسمی ] مشکل بزرگی ایجاد کرده‌است.» «این مسئله را تا حد زیادی ساده کرده‌است.» چه کسی خارج می‌شود؟ تا‌کنون، ایده‌های کولز امیدوار‌کننده به نظر می‌رسند.

در یک مقاله بازبینی نشده که در ماه ژانویه به پایگاه اطلاعاتی preprint arXiv ارسال شد، مانوادکار، کل، لی و الساندرو ترنی از دانشگاه توکیو یک نبرد سلطنتی برگزار کرد تا ببیند نظریه کلز چگونه در برابر سایر پیش‌بینی‌های آماری سه جسمی مقاومت کرد. آن‌ها میلیون‌ها شبیه‌سازی از مش آپ ها بین سه ستاره از توده‌های مختلف انجام دادند تا ببینند که هر ستاره چند بار از گروه بیرون انداخته شده است.

وقتی ستاره‌ها جرم یکسانی دارند، غیرقابل‌پیش‌بینی بودن حرکت هرج‌و‌مرج تضمین می‌کند که هر فرد یک سوم شانس رسیدن به مدل‌های خیالی بدون پوشش را دارد. هنگامی که سه جسم دارای ۱۰ خورشید (۱۰ برابر جرم خورشید)، ۱۵ خورشید و ۲۰ خورشید هستند، به عنوان مثال ستاره ۱۰ خورشید در ۷۸٪ از شبیه‌سازی‌ها بیرون انداخته می‌شود. نظریه کلز این پیش‌بینی را به چالش کشید، در‌حالی‌که نظریه‌های رقیب پیش‌بینی کردند که تزریق سبک بین ۷۰٪تا ۸۷٪ زمان رخ دهد. چارچوب جدید حتی بهتر از این هم عمل می‌کند چون توده‌های مردم بیشتر متضرر می‌شوند.

استون گفت: « این پیش‌بینی‌ها به طرز زیبایی دقیق هستند.»

شاید مطالعه مقاله پرتو نور مستقل: پرتوهای نور ویژه‌ای که می‌توانند حتی از مواد مات نیز عبور کنند.برای شما جالب باشد.

از ستارگان دیجیتال گرفته تا اخترفیزیک

نکته این است که هیچ‌کس نمی‌داند چگونه به طور دقیق شکل حفره، تابع جذب آشوب (که به نوبه خود، یک شی پیچیده و چند بعدی است) را توصیف کند. این نظریه در پیش‌بینی این که کدام جسم بیرون انداخته خواهد شد به کار می‌رود زیرا آن محاسبه خاص در برخی معانی «متوسط» در بسیاری از حفره‌های مختلف است و محققان را از کار بر روی جزئیات آزاد می‌کند.

اما برای ساختن چنین پیش‌بینی‌هایی که اختر فیزیک‌دانان واقعا به آن‌ها اهمیت می‌دهند، مانند شکل‌های معمول مدارهای بیضوی جفت ستارگان که پس از برخورد آشفته سه جسمی باقی مانده‌اند، جذب آشوب بسیار مهم است. مدل استون و لیکز ۲۰۱۹، که حجم منطقه آشوب را در هشت بعد محاسبه می‌کند، می‌تواند این پیش‌بینی‌ها را انجام دهد.

مانوادکار برای کمک به پیش‌بینی مشابه مدل کولز، در نظر دارد شبیه‌سازی‌های بسیاری از ستارگان مجرد برخورد کننده با جفت‌ها را اجرا کند که به ترسیم شکل نقطه به نقطه تابع جذب معمایی کمک خواهد کرد. در نهایت، او به یک معادله خوب امیدوار است که کل شکل آن را توصیف کند و مشکل آماری سه جسمی را حل کند. مانوادکار گفت: «رویا به دست آوردن یک عبارت ریاضی است که دقیق‌ترین پیش‌بینی‌های آماری تا به امروز را ممکن سازد.»

اگر محققان موفق شوند، گام بعدی این خواهد بود که ببینیم نظریه باید در مورد حوادث واقعی هرج‌و‌مرج سه جسمی در جهان چه بگوید. ستاره‌ها می‌توانند در خوشه‌های ستاره‌ای ضخیم متمرکز شوند که در آن افراد به طور منظم به صورت جفت اجرا می‌شوند و شبیه‌سازی‌های سه جسمی به محققان کمک می‌کند تا درک کنند که چگونه میلیون‌ها رویداد سه جسمی این خوشه‌ها را در طول زمان تغییر می‌دهند. و جلسات سه‌جانبه‌ای بین سیاه‌چاله‌ها در پشت برخی از جفت‌هایی که با هم ادغام می‌شوند و امواج گرانشی را به بیرون می‌فرستند، برگزار می‌شود. یک راه‌حل آماری سه جسمی خوب می‌تواند به اخترفیزیک‌دانان در رصدخانه موج گرانشی لیزر (LIGO) و آشکارسازهای موج گرانشی آینده کمک کند تا مشاهدات خود را عمیق‌تر درک کنند.

استون گفت: «چیزی که من در مورد آن هیجان‌زده هستم، استفاده از یک یا هر دو مدل برای مشکلات نجومی است.»

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله علم نجوم ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.