Математика, небесная механика и задача трёх тел
19 декабря 2022 г., 17:41
Примечания:
Legend says that when grief overpowers happiness
The northern star loses its light and falls down on earth
Where thee become a man.
One person alone can help.
Когда Утэна поднялась в комнату-обсерваторию, была ещё середина дня. Она подошла к одному из окон, посмотрела вниз. Утэна всё не могла налюбоваться видом, открывавшимся с такой высоты. Постояв так несколько минут, она нащупала на стене небольшую кнопку и нажала её. Ставни с грохотом опустились, и комната погрузилась во тьму. Утэна подошла к проектору и включила его. Он всегда включался так резко, будто какой-то великан одним движением огромного меча сносил купол башни. На Утэну обрушились звёзды. Она стала задумчиво крутить одну из шестерёнок, наверху один вид звёздного неба сменялся другим.
— Ну, например, вот это. — над Утэной раскинулся вид зимних созвездий Северного полушария. Она повернула один из рычагов и стала крутить шестерёнку поменьше. Звездная карта начала расширяться, центром её была Полярная звезда. Утэна остановила шестерёнку и задумчиво посмотрела вверх. Потом села на один из диванов и положила на столике перед собой несколько книг, пухлый блокнот и пару ручек. Она откинулась назад, на спинку дивана, и внимательно смотрела вверх, на созвездие Малой Медведицы. Утэна хмурила лоб, тихо шепча что-то себе под нос, потом потёрла глаза руками. Вид у неё был очень растерянный.
— Нет, я всё-таки не понимаю — вздохнула она и принялась читать одну из книг, иногда поглядывая вверх.
— Малая Медведица? Очень интересно!
— Акио! — Утэна вздрогнула, — ты напугал меня, я думала ты сегодня будешь позже.
— Я не хотел пугать тебя, — Акио подошел к столику и посмотрела на разложенные перед Утэной вещи — хм, что это у тебя? Чем ты занята?
Она растерянно оглядела книги, потом опять посмотрела вверх, и перевела взгляд на Акио.
— Я просто пытаюсь понять… Акио, ты знаешь, как решить задачу трёх тел?
Его брови удивленно поползли вверх:
— Общего решения нет, есть только частные. Но вообще это университетский уровень. Ты конечно умная девочка, но, — он пролистал одну из книг — Пуанкаре, «Новые методы небесной механики», — ничего себе, Утэна, это же матан! Зачем это тебе?
Она глубоко вздохнула:
— Понимаешь, я пишу эссе, вот как раз про этого Пуанкаре. Там всё просто, годы жизни, чем он занимался, какие сделал открытия и всё такое. Но в нашем учебнике написано, что он установил, что «решение задачи трёх тел невозможно». Акио, что это значит? Ведь существует так много тройных звёздных систем! Вот например Полярная звезда, — она показала пальцем вверх, — или Альфа Центавра, Садальсууд, Алголь — это же всё тройные звёзды, разве нет? Я не могу понять. А в этих книгах одни только сложные уравнения, я пока не умею такие решать…
— Я тебя понял, сейчас во всём разберёмся, — Акио подсел к Утэне, отодвинул книги и положил перед собой её блокнот, — начнем с азов, законы Ньютона помнишь? А закон сохранения энергии?
— Да, помню.
— Давай запишем несколько формул. И начнём с разных вариантов решения задачи двух тел, это просто, твоих знаний должно хватить.
Листок с формулами Акио положил рядом, и стал расписывать каждый пример на отдельном листке. Сначала рисовал систему координат, и заполнял её — точка один, точка два, вектор движения, парабола, гипербола, эллипс. Потом под каждым рисунком расписывал ряды математических формул, а каждый заполненный листок вырывал из блокнота и протягивал Утэне.
— Так, а вот здесь продолжи расчёт сама, понимаешь как нужно сделать?
— Вроде бы да.
— Да, всё правильно. Получается, у нас не так уж много вариантов для систем с положительной энергией, — он отложил часть листков в одну сторону, — и для систем с нулевой. И нам будет достаточно простых законов Кеплера, чтобы рассчитать координаты этих объектов в любой момент времени. Смотри, — он протянул Утэне один из листков, — это самая постоянная вещь во Вселенной — орбита двойной звезды.
Она взяла в руки рисунок. На нём две точки вращались вокруг невидимого центра по орбите, похожей на перевёрнутую восьмерку.
— Видишь? Их гравитационная связь столь сильная, что они вечно будут так кружить. Но если появится кто-то третий, — Акио подняли взгляд вверх, к ярко сияющей под куполом Полярной звезде, — если появится кто-то третий, то всё изменится. Третья… звезда может заменить собой одну из двух, или разорвать гравитационные узы, и тогда все три звезды будут свободны. Или же они могут образовать постоянную тройную систему. Понимаешь, здесь слишком много переменных, так что общего решения нет и не может быть. Есть только частные. Смотри, стабильные орбиты тройных звёзд в основном выглядят так. — и Акио заполнил несколько листков диаграммами и формулами.
Утэна перебирала уже заполненные листки — аккуратная вязь формул, ровные линии, идеальные круги и кривые — интересно, как у него это получается без циркуля?
Акио расписывал листок за листком, по одному вырывая их из блокнота.
— Математически можно рассчитать очень сложные орбиты, которые в теории будут стабильны, например вот такую — согласись, больше похоже на цветок? Но на практике такие орбиты редко бывают стабильными. Хотя… смотри, как думаешь, вот такая орбита будет постоянной? Казалось бы нет, но я знаю как минимум одну такую систему. Но это далеко, в Большом Магеллановом облаке. Если мы вернемся к вариантам с разрушением системы или заменой компонента… Утэна, что ты можешь рассказать о Сириусе?
— Сириус — альфа Большого Пса. Самая яркая звезда на небе. Она двойная, главный компонент… ммм, не уверена, кажется спектрального класса А, а второй компонент — белый карлик.
— Умничка. Но сто пятьдесят миллионов лет назад это была система из двух красных гигантов, к которой приблизилась блуждающая звезда. Смотри, как это выглядело. — и Акио начал рисовать замысловатые орбиты.
— Подожди, — Утэна тронула его за руку, — сто пятьдесят миллионов лет? А откуда ты это знаешь?
Акио замолчал, обернулся и несколько секунд смотрел на неё. Потом внезапно притянул Утэну к себе и жарко шепнул ей прямо в ухо:
— Потому что я живу три миллиарда лет и сам это видел.
Утэна ахнула, Акио сразу же отпустил её, встал и подошел к проектору.
— Это шутка, не обращай внимания. Надеюсь, тебе всё стало понятнее? Думаю, можешь что-то включить в свое эссе.