Большинству законов физики не важно, в каком направлении движется время. Законы ньютоновской физики и общей теории относительности работают одинаково в случае, если время движется вперед — как в существующей Вселенной, либо вспять, как в гипотетических моделях, над которыми работают различные ученые.
Команде ученых во главе с астрономом Тьярдой Бекхолтом из Университета Авейру в Португалии удалось доказать, что требуется всего три гравитационно взаимодействующих тела, чтобы нарушить симметрию с обращением времени — то есть направление, в котором движется время.
До сих пор количественная связь между хаосом в динамических системах и уровнем необратимости времени оставалась неопределенной. В этой работе мы изучаем хаотические системы трех тел в свободном падении, первоначально используя точные формулы гравитационной задачи n-тела.
Астроном Тьярда Бекхолт
Гравитационная задача n-тел является классической проблемой небесной механики и гравитационной динамики Ньютона. Она возникает, когда добавляется еще несколько разных тел к уже существующей гравитационно взаимодействующей системе. Движения двух тел сравнимого размера на орбите вокруг центральной точки относительно просты для математического предсказания, согласно законам движения Ньютона и закону всемирного тяготения Ньютона.
Однако как только вы добавляете другое тело, все становится сложнее. Тела начинают гравитационно возмущать орбиты друг друга, внося элемент хаоса в это взаимодействие. Это означает, что, хотя существуют решения для особых случаев, нет ни одной формулы — в рамках ньютоновской физики или общей теории относительности, — которая описывала бы эти взаимодействия с полной точностью.
При проведении симуляции n-тел физики попытались повернуть время вспять в своих результатах — другими словами, выполнить все симуляции в обратном направлении. Однако в этой задаче нарушение симметрии времени не возвращает тело к исходной точке.
Астрономы тестировали свою гипотезу на математической модели движения трех черных дыр в двух сценариях. В первом случае черные дыры двигались навстречу друг другу по сложным орбитам, постепенно выводя одну из них из этой системы. Второй сценарий теста начинался там, где заканчивался первый — ученые пытались запустить эти объекты в обратном направлении, пытаясь восстановить эту систему до ее исходного состояния. Оказалось, что в 5% случаев возвращение было невозможно, поскольку задача n-тела «принципиально непредсказуемая». Для этого ученые просто добавляли длину Планка — крошечный посторонний объект размером с молекулу.