Większość praw fizyki nie obchodzi, w jakim kierunku porusza się czas. Do przodu, do tyłu … w każdym razie prawa działają w ten sam sposób. Fizyka Newtona, ogólna teoria względności – czas nie ma nic wspólnego z matematyką: nazywa się to symetrią odwrócenia czasu.
W prawdziwym wszechświecie sprawy się trochę komplikują. A teraz zespół naukowców pod kierownictwem astronoma Tjarda Beckholta z Uniwersytetu w Aveiro w Portugalii udowodnił, że wystarczy trzy ciała oddziałujące grawitacyjnie, aby przełamać symetrię odwrócenia czasu.
„Do tej pory ilościowy związek między chaosem w dynamicznych układach gwiazd a poziomem nieodwracalności pozostawał niepewny” – napisali w swoim artykule.
W tym artykule badamy chaotyczne układy trzech ciał w swobodnym spadku, początkowo przy użyciu dokładnego i precyzyjnego kodu n-ciał, który wykracza poza standardową arytmetykę podwójnej precyzji. Pokazujemy, że ułamek nieodwracalnych rozwiązań maleje jako numeryczne prawo potęgowe ”.
Problem n-ciał jest znanym problemem w astrofizyce. Występuje, gdy dodajesz więcej ciał do układu oddziałującego grawitacyjnie.
Ruchy dwóch ciał o porównywalnej wielkości na orbicie wokół centralnego punktu są stosunkowo proste do modelowania matematycznego, zgodnie z prawami ruchu Newtona i prawem powszechnego ciążenia Newtona.
Jednak gdy tylko dodasz kolejne ciało, sprawy stają się bardziej skomplikowane. Ciała zaczynają grawitacyjnie zakłócać swoje orbity, wprowadzając do interakcji element chaosu. Oznacza to, że chociaż istnieją rozwiązania dla szczególnych przypadków, nie ma wzoru – w ramach fizyki Newtona lub ogólnej teorii względności – który precyzyjnie opisywałby te interakcje.
Chaos we wszechświecie to cecha, a nie błąd.
Wykonując symulacje n-ciał, fizycy czasami dostają w swoich wynikach nieodwracalność czasową – innymi słowy, uruchomienie symulacji w przeciwnym kierunku nie przywraca ich do pierwotnego punktu wyjścia.
Nadal nie wiadomo, czy jest to wynikiem chaosu tych systemów, czy też problemów symulacyjnych, które prowadzą do niepewności co do ich niezawodności.
Dlatego Beckholt i jego koledzy opracowali test, aby to rozwiązać.
„Ponieważ równania Newtona ruchu są odwracalne w czasie, integracja bezpośrednia, po której następuje integracja odwrotna w tym samym czasie, powinna przywrócić pierwotną implementację systemu (aczkolwiek z różnicą w znakach prędkości)” – napisali w swoim artykule.
“A więc wynik testu odwracalności jest na pewno znany.”
Trzy ciała w systemie to czarne dziury i zostały przetestowane w dwóch scenariuszach. W pierwszym przypadku czarne dziury zaczęły zbliżać się do siebie na złożonych orbitach, zanim jedna z czarnych dziur opuściła układ.
Drugi scenariusz zaczyna się, gdy pierwszy kończy się i przebiega wstecz w czasie, próbując przywrócić system do pierwotnego stanu.
Okazało się, że w 5% przypadków nie można było przeprowadzić symulacji. Wystarczyła ingerencja w system wielkości długości Plancka, przy 0,000000000000000000000000000000000016 metrów, co jest najkrótszą możliwą długością.
„Ruch trzech czarnych dziur może być tak chaotyczny, że na ruch będzie wpływać coś mniejszego niż długość Plancka” – powiedział Beckholt. “Perturbacje wielkości długości Plancka mają efekt wykładniczy i naruszają symetrię czasu.”
Pięć procent to może nie tyle, ale ponieważ nigdy nie można przewidzieć, która z symulacji przypadnie na pięć procent, naukowcy doszli do wniosku, że systemy n-ciał są „zasadniczo nieprzewidywalne”.
„Niemożność cofnięcia czasu nie jest już argumentem statystycznym” – powiedział Portegis Zwart. „Jest to już ukryte w podstawowych prawach natury. Żaden układ trzech poruszających się obiektów, dużych czy małych, planet czy czarnych dziur, nie może uciec przed upływem czasu ”.
Badanie zostało opublikowane w miesięczniku Royal Astronomical Society's Monthly Notices.
