Netflixa 3 Problem z ciałem premiera 21 marca, a jest mnóstwo nauki! Nowy serial Netflix od scenarzysty Alexandra Woo i Gra o tron pasterze David Benioff i DB Weiss to adaptacja bestsellerowej trylogii science fiction autorstwa chińskiego pisarza Liu Cixina, inżyniera dysponującego doskonałą wiedzą z zakresu fizyki. Historia, która się rozwija 3 Ciało i jego dwie kontynuacje, znane również jako Pamięć o przeszłości Ziemi serial, zdobył uznanie dzięki swojej wizji przyszłości opartej na różnorodnych koncepcjach mechaniki kwantowej i jej wpływie na przyszły międzygwiezdny kryzys egzystencjalny. W 3 CiałoW fikcyjnym wszechświecie odległa teoria rozgrywa się w czasie rzeczywistym w życiu odległego gatunku obcych i jego próbach nawiązania kontaktu z ludźmi i wywarcia na nich wpływu.

Na szczęście dla widzów, którzy nie są Einsteinami, serial Netflixa przenosi większość dramatu z nieba na ludzi — tworzy nawet grupę zupełnie nowych postaci, którymi możemy się zająć pomiędzy całą fizyką. Seria Liu obejmuje dwie kolejne książki po pierwszej powieści; Seria Netflix podąża za pierwszą książką, potem przez chwilę zmierza we własnym kierunku, zanim przygotujemy nas do drugiej książki. To, co je łączy, to pomniejszony obraz mechaniki kwantowej i astrofizyki leżącej u podstaw wszystkich fajnych zagadnień kosmicznych. Wszyscy nasi bohaterowie i złoczyńcy to naukowcy, których decyzje i konflikty dyktują kurs ludzkości zarówno teraz, jak i w odległej przyszłości. Z pomocą prawdziwego astrofizyka przeanalizujmy podstawy, które musisz znać, aby zrozumieć, co do cholery dzieje się w tym programie.

Jaki jest problem trzech ciał i dlaczego nikt nie może go rozwiązać?

Problem trzech ciał istnieje odkąd ludzie zaczęli rozumieć grawitację i jej działanie. Prawdopodobnie wiesz, że Ziemia obraca się wokół Słońca, ponieważ słoneczne pole grawitacyjne wywiera przyciąganie na naszą planetę i wszystkie inne w naszym Układzie Słonecznym. Jesteśmy w stanie wchodzić w interakcję ze Słońcem w ten sposób, ponieważ jako planety nasze indywidualne sfery grawitacyjne są słabsze od Słońca i żadna z nich nie jest na tyle potężna, aby wywierać na siebie wpływ. To samo dotyczy naszego Księżyca — jest uwięziony w ziemskim polu grawitacyjnym, więc unosi się razem z nami.

Innymi słowy, dwa obiekty, których pola grawitacyjne oddziałują na siebie, zawsze utworzą stabilne orbity wzdłuż przewidywalnej, niezmiennej ścieżki. Newton odkrył to wraz ze wzorem na przewidywanie ich orbit w 1687 roku. Czasami nazywa się to „problemem dwóch ciał”. Gdybyś miał dodać do tej mieszanki kolejną gwiazdę, prawdopodobnie skończyłbyś z układem podwójnym, w którym obie gwiazdy tworzą stabilne orbity wokół środka grawitacji. Najpopularniejszym typem gwiazd jest gwiazda posiadająca stabilnego partnera podwójnego, co sprawia, że ​​nasze Słońce, gwiazda solowa, jest dość rzadkie. Układy podwójne gwiazd również mogą mieć stabilne planety, a astronomowie i fizycy często mogą sporządzać mapy, sporządzać wykresy i przewidywać tego typu układy.

Ale to działa tylko w przypadku dwóch obiektów z siłami grawitacyjnymi. Kiedy dodasz a trzeci obiekt do miksu, wszystkie zakłady są wyłączone. Zamiast się ustabilizować, trzeci element powoduje chaos i powoduje, że obiekty latają i wchodzą w interakcję w zupełnie nieprzewidywalny sposób – wylatują w przestrzeń, zderzają się ze sobą lub odbijają się od swoich sfer grawitacyjnych i pędzą w zupełnie innych kierunkach.

Aby wyjaśnić, dlaczego tak się dzieje, zwróciłem się do astrofizyka dr Charlesa J. Horowitza, który powiedział mi, że kluczem jest tu prawo zachowania energii — to ono mówi nam, że energii w układzie zamkniętym nigdy nie można wytworzyć ani zniszczyć . „Zachowanie energii oznacza, że ​​planeta będzie zawsze krążyć wokół pojedynczej gwiazdy i nigdy nie będzie mogła uciec do nieskończoności” – napisał Horowitz w e-mailu. Innymi słowy, gdy planeta zostanie uwięziona w polu grawitacyjnym gwiazdy, nie będzie w stanie wytworzyć dodatkowej energii, której potrzebowałaby, aby się z niej wydostać.

„Z drugiej strony dwie gwiazdy mogą wymieniać energię i prawdopodobnie wyrzucać orbitującą planetę” – powiedział Horowitz.

Oto zatem „problem trzech ciał”: jak ustabilizować trzy obiekty grawitacyjne lub przewidzieć, jakie mogą być ich orbity?

Przez wieki naukowcom nie udało się znaleźć żadnego punktu początkowego, z którego te trzy obiekty mogłyby tworzyć względem siebie stabilne orbity. W ostatnich dziesięcioleciach naukowcy zbliżyli się do siebie; coraz częściej, korzystając z algorytmów obliczeniowych i, w co najmniej jednym przypadku, modelując swoje przewidywania na nietrzeźwych ludziach, znaleźliśmy wiele rozwiązań zapewniających stabilność pomiędzy naszymi trzema hipotetycznymi obiektami. Jednak większość tych rozwiązań jest trudna, jeśli nie niemożliwa do modelowania w rzeczywistości, więc nie jest jasne, jak dobrze sprawdzają się one poza sferą teorii.

Jakie możliwości ma cywilizacja, która ma pecha i żyje na planecie w układzie trzech ciał?

Centralna koncepcja 3 Problem z ciałem jest dokładnie taki scenariusz – obcy gatunek na odległej planecie rozwinął zdolność do stania się zaawansowaną technologicznie cywilizacją – ale jego planeta istnieje w Układzie Słonecznym z trzema różnymi słońcami.

Z powodu problemu trzech ciał te słońca nieustannie wywierają na siebie chaos grawitacyjny, rzucając się tam i z powrotem w kosmos, siejąc przy tym spustoszenie klimatyczne na planecie uwięzionej pośrodku. W ten sposób obca rasa, zwana Trisolaranami, przez tysiąclecia wielokrotnie niszczyła i niszczyła swoje cywilizacje.

Zapytałem Horowitza, jak prawdopodobny będzie taki scenariusz, a on zasadniczo się cofnął Trzy Ciałoautora, Liu Cixina. „Na krótką metę może być w porządku” – powiedział Horowitz. „Uważa się, że przez bardzo długi czas (powiedzmy miliardy lat) wiele orbit planet wokół dwóch gwiazd jest niestabilnych.”

„Jeśli ewolucja życia zajmie miliardy lat (tak jak miało to miejsce na Ziemi), wówczas taka planeta może nie zapewniać odpowiedniego środowiska. Mogą jednak istnieć pewne konfiguracje trzech ciał, które są stabilne przez długi czas i mogą nadawać się do życia. Albo życie mogłoby szybciej rozwijać się lub kolonizować świat” – dodał.

Dokładnie z taką sytuacją mają do czynienia Trisolaranie: od czasu do czasu ich trzy ciała stabilizują się na długie okresy, dając ich cywilizacjom wystarczająco dużo czasu na szybki postęp i rozkwit. Jednak nieuchronnie epoki stabilne ustępują miejsca „erom chaotycznym”, kiedy ich słońca powracają do swojej zmienności.

Egzystencjalny problem Trisolaran – któremu rozwiązanie ostatecznie poświęciła się wybrana grupa Ziemian – polega na tym, jak poznać i przygotować się na chaotyczną erę, której nie można przewidzieć. Krótko mówiąc, realizują problem trzech ciał w czasie rzeczywistym.

Czy możliwe jest, aby dwie cząstki położone naprzeciw siebie we wszechświecie działały jak jedno ciało i jednocześnie odbierały/przesyłały informacje?

Ten scenariusz może wydawać się nieprawdopodobny, ale w rzeczywistości taki nie jest — i stanowi kluczową część fabuły 3 Problem z ciałem. W programie dowiadujemy się, że Trisolaranie są w stanie zasadniczo szpiegować Ziemię za pomocą protonu, który został przesłany na Ziemię, aby działać jako jednoczesny odbiornik i nadajnik dla jego bliźniaczego protonu, który pozostaje na Trisolaris.

Jest to możliwe dzięki zjawisku wyginającemu umysł, znanemu jako splątanie kwantowe. Naukowcy zaobserwowali tę właściwość w cząstkach subatomowych, które zasadniczo działają jako jedna całość, nawet jeśli dzielą je miliardy lat świetlnych. W rzeczywistości, zauważa dr Horowitz, „[It’s] może lepiej byłoby powiedzieć, że dwie splątane cząstki dzielą się informacją, zamiast ją otrzymywać i przekazywać.” Innymi słowy, nie jest ich tak dużo przyległy ze sobą, jednocześnie otrzymując informacje z obu lokalizacji – mimo że znajdują się one na zupełnie różnych planetach.

3 Ciało zakłada scenariusz, w którym naukowcy ustawiają w przestrzeni kosmicznej tysiąc bomb nuklearnych, a następnie uruchamiają je wszystkie w kolejności niczym domino. Gdybyś spróbował tego w rzeczywistości, czy nie musiałbyś mieć do czynienia z jakąś gigantyczną radioaktywną chmurą kosmiczną?

To może brzmieć jak najbardziej niewiarygodna część 3 Ciało serialu — nawet w serialu, kiedy nasza dzielna kosmolog Jin Cheng przedstawia ten pomysł swoim kolegom, oni śmieją się z niej i odrzucają ten pomysł jako głupią grę, a nie prawdziwą naukę.

W rzeczywistości pomysł Chenga opiera się na prawdziwym zjawisku znanym jako nuklearny napęd termiczny, czasami nazywany napędem impulsowym jądrowym. Jak się okazuje, napęd jądrowy wytwarza bardzo mało promieniowania, jeśli wykorzystujące go silniki są uruchamiane w kosmosie, a nie na Ziemi – a korzyści obejmują mniejsze zużycie energii, mniejsze narażenie na promieniowanie kosmiczne i szybsze rakiety. Departament Energii ma nawet stronę internetową poświęconą wychwalaniu korzyści płynących z napędu jądrowego.

Chociaż serial przedstawia pomysł Chenga dotyczący efektu domina jako naciągany, Stany Zjednoczone mają historię eksperymentów z nuklearnym napędem termicznym. Jak wyjaśnił Horowitz, „Projekt Orion na początku zimnej wojny próbował opracować rakietę napędzaną małymi bombami atomowymi”.

Jeśli jednak zastanawiasz się nad całym tym promieniowaniem, nie jesteś sam. Pierwsza wersja Projektu Orion została ostatecznie anulowana, ponieważ naukowcom z połowy stulecia nie udało się rozwiązać wielkiego problemu: niemal pewności śmiercionośnego opadu nuklearnego, który nastąpiłby w wyniku jakiejkolwiek próby wystrzelenia z Ziemi rakiety o napędzie atomowym w przestrzeń kosmiczną.

Szkoda, naprawdę. „To byłaby bardzo dobra rakieta” – powiedział Horowitz. Współczesne wersje Oriona skupiały się na wystrzeliwaniu podobnych rakiet z kosmosu i ograniczaniu narażenia astronautów na promieniowanie.

Czy naprawdę możliwe jest rozszerzenie czegoś małego i punktowego, jak proton, na wiele masywnych wymiarów w przestrzeni?

Być może najtrudniejszy aspekt 3 Ciało do konceptualizacji obejmuje dokładnie to, co Trisolaranie robią z wyżej wymienionym protonem, zanim wystrzelą go w przestrzeń kosmiczną: rozkładają jego liczne wymiary w ogromną przestrzeń wielkości planety, wpisują gigantyczny superkomputer na jego płaszczyzny, a następnie ponownie złóż go z powrotem do pierwotnego mikroskopijnego rozmiaru.

Trudno to sobie wyobrazić, a tym bardziej wyobrazić sobie w rzeczywistości. Jednak praktyka ta istnieje, przynajmniej w teorii, jako idea wielowymiarowego rozwoju. Wyobraź sobie to tak, jak wyobrażasz sobie tworzenie prostej papierowej wróżki. Kształt papieru zaczyna się prawie całkowicie płasko, na jednej płaszczyźnie — ale można go rozpakować, aby odsłonić coraz więcej warstw, aż uzyskasz schludne narzędzie do wróżenia na boisku szkolnym.

Teraz wyobraźcie sobie, że dzieje się to na wielką skalę i w jeszcze większej liczbie wymiarów niż te trzy, których doświadczamy tutaj na Ziemi. Istnieje wiele procesów, jak to zrobić i wiele sposobów zilustrowania, jak przykłady mogą wyglądać w rzeczywistości. Najbardziej znanym przykładem jest obiekt, który matematycy i fizycy nazywają hipersześcianem lub tesseraktem (nie, nie tym) — odpowiednikiem sześcianu, który istnieje w co najmniej czterech wymiarach. Oto jedna z prób wyobrażenia sobie, jak ktoś mógłby wyglądać:

Ludzie poświęcili sporo czasu na próbę uchwycenia istoty tego zjawiska; jedno słynne wczesne dzieło science fiction, Teren płaski, został opublikowany w 1884 roku przez Edwina Abbotta Abbota jako satyryczna próba wprowadzenia mieszkańców Wiktorii w całą ideę wyższych wymiarów poprzez założenie istnienia społeczeństwa ludzi, którzy istnieli tylko w dwóch płaszczyznach. Dziś podobne eksperymenty myślowe możemy znaleźć w miejscach takich jak YouTube:

Oczywiście nic z tego nie wyjaśnia w pełni, czy możliwe byłoby rozłożenie protonu do rozmiarów planety, a następnie wpisanie na nim superkomputera. Kiedy zapytałem o to Horowitza, odpowiedział „?”

I szczerze, to może być uczciwy sposób, aby odpowiedzieć na wiele naukowych pomysłów, które znajdziemy w obszernej serii Liu. Ostatecznie opiera się w mniejszym stopniu na tym, co rzeczywiste i na tym, co na pewno wiemy, a raczej na tym, co jest możliwe, biorąc pod uwagę niesamowity postęp, jakiego dokonaliśmy w fizyce teoretycznej – nacisk na teoria.

Innymi słowy, 3 Ciało zderza naukę i fikcję jak dwa protony. Rezultatem jest dzika, wyjątkowa przejażdżka, w którą warto zawiesić trochę niedowierzania.

Bonus: Jeśli się odwodnię, czy mogę się nawodnić później i wszystko będzie dobrze?

Nie. Zrób to nie wypróbuj tę sztuczkę w domu. Na szczęście niektóre fragmenty 3 Ciało pozostają wyłącznie w sferze fantastyki.