Ce este „Problema celor 3 corpuri”? Matematica haotică din spatele serialului Netflix

În serialul Netflix „Problema celor 3 corpuri” – bazat pe romanele SF ale lui Liu Cixin – drama este inspirată de o adevărată enigmă științifică din astronomie. Iar matematicianul Kit Yates încearcă să ne lumineze în acest sens. Acesta este director al Centrului de Biologie Matematică din cadrul departamentului de științe matematice al Universității din Bath, Marea Britanie, și autorul cărții How to Expect the Unexpected.

Care este legătura dintre Sir Isaac Newton, sistemele solare extraterestre și un nou serial TV de milioane de dolari de pe Netflix?

Răspunsul scurt este „problema celor 3 corpuri”: o enigmă în astronomie și matematică care descrie de ce este adesea dificil de prezis traiectoria pe termen lung a planetelor, sateliților și stelelor.

Deci, care este mai exact problema? Și cum a ajuns să devină titlul unui serial de pe Netflix?^[sursa]

Problema celor 3 corpuri: contextul

Pentru a înțelege, trebuie mai întâi să știm câte ceva despre contextul serialului TV și despre premisa acestuia. Povestea se bazează pe trilogia științifico-fantastică epică a lui Liu Cixin, „Amintirea trecutului Pământului”, din care „Problema celor 3 corpuri” este prima carte. Trilogia originală se caracterizează prin atenția pe care autorul o acordă detaliilor științifice. Adaptarea este mai puțin atentă, dar este în continuare plină de idei științifice.

Serialul TV se concentrează pe un grup de savanţi denumit ”Cei 5 de la Oxford” (Oxford Five), care au studiat cu toții sub îndrumarea aceluiași profesor la Universitatea din Oxford. Unii au devenit ei înșiși oameni de știință (un cercetător post-doctoral în domeniul fizicii, un fondator și director științific al unei companii de nanotehnologie și un academician în domeniul fizicii teoretice), unul a devenit profesor de fizică la școală, în timp ce al cincilea este acum antreprenor în domeniul snack-food-urilor. Abundă acreditările științifice.

Esența poveștii este că o rasă extraterestră – numită Trisolarani sau San-Ti Ren – se îndreaptă spre Pământ pentru a-l coloniza. Prin intermediul comunicării intergalactice, acești călători încearcă să intimideze oamenii de știință umani pentru a încetini progresul nostru tehnologic rapid, făcând astfel ca Pământul să fie mai ușor de cucerit.

Dar de ce sunt acești extratereștri atât de hotărâți să ne cucerească planeta în primul rând? Aici intervine Problema celor 3 corpuri.

În acest context, „corpuri” este un termen științific pentru planete, luni, sori sau orice alt obiect astronomic masiv. Planeta de origine a extratereștrilor este situată într-un sistem solar cu trei sori, de unde și numele lor în traducerea în limba engleză a cărții – Trisolarienii. Acest sistem cu trei sori poate fi extrem de instabil, ceea ce face condițiile dificile pentru viață, de unde și dorința de a călători prin Univers pentru a locui în sistemul nostru solar relativ stabil. Avem doar un singur Soare, așa că viitorul Pământului este relativ previzibil – cel puțin pentru următoarele câteva milioane de ani.

Știm acest lucru datorită Legii universale a gravitației a lui Sir Isaac Newton, publicată în anul 1687, care descrie forțele gravitaționale exercitate de un corp asupra altuia. Ecuația sa simplă le-a permis astronomilor să modeleze relația dintre două corpuri mari, cum ar fi Pământul și Soarele.

Pământul are o perioadă orbitală regulată care durează aproximativ 365,24 zile, adică un an solar. În mod similar, Luna se rotește în jurul Pământului aproximativ la fiecare 27,3 zile, acesta fiind un alt sistem de două corpuri aparent stabil. În teorie, Newton, înarmat cu soluția sa cu două corpuri, ar putea prezice pozițiile planetelor, sateliților și cometelor din sistemul solar mult timp în viitor.

În realitate, soluția cu două corpuri a lui Newton a fost doar o aproximare a sistemului solar real. În general, influența corpurilor mai mici, cum ar fi lunile sau alte planete, asupra celor mai mari nu poate fi complet ignorată. În loc de o problemă cu două corpuri, sistemul nostru solar cuprinde în schimb ceea ce se numește o problemă cu n corpuri. Astfel de probleme nu pot fi rezolvate, în general, cu ajutorul tehnicilor matematice tradiționale pentru a oferi răspunsuri exacte. Mai rău decât atât, traiectoriile prezise de astfel de sisteme permit haosul.

Haosul, în sens matematic, nu se referă la utilizarea sa obișnuită de „dezordine și dezorganizare”. În schimb, acesta este adesea caracterizat de ceea ce matematicienii numesc dependență sensibilă de condițiile inițiale. Acest lucru înseamnă că comportamentul a două sisteme haotice, altfel identice, inițiate cu condiții inițiale extrem de asemănătoare (dar nu exact identice), va deveni în cele din urmă extrem de diferit unul de celălalt.

Deși legile lui Newton pot oferi predicții aparent exacte ale viitoarei configurații a sistemului nostru solar, mișcările corpurilor cerești din cadrul acestuia sunt de fapt haotice, deoarece în realitate există mai mult de două corpuri. Acest haos planetar apare pe scări temporale lungi – un orizont de haos de ordinul zecilor sau sutelor de milioane de ani.

Așadar, în cele din urmă, o planetă ar putea fi găsită în partea opusă a sistemului solar față de locul în care calculele de astăzi o localizează. Acest lucru nu se datorează unei dinamici aleatorii a planetelor – legile lui Newton descriu bine mișcarea lor – ci este rezultatul faptului că mișcarea a trei sau mai multe corpuri cerești poate fi un sistem haotic.

„Problema celor trei corpuri este afirmația că, dacă aveți trei corpuri care gravitează unul spre celălalt în conformitate cu legea gravitației lui Newton, nimic nu rămâne predictibil. Micile diferențe devin amplificate și pot duce la un comportament extrem de imprevizibil în viitor.”, explică şi Jonathan Blazek, profesor asistent de fizică la Universitatea Northeastern.

San Ti Ren: Trăind cu trei sori

În serialul TV, corpurile în cauză sunt trei sori relativ masivi ai unui sistem trisolar – căminul inițial al rasei San Ti Ren (care înseamnă „oameni cu trei corpuri” în mandarină). Iar haosul este mult mai evident.

În colțul lor de Univers, mișcarea sorilor este în mod inerent haotică și instabilă, ceea ce înseamnă că se confruntă cu perspectiva de a fi înghițiți de unul dintre ei sau expulzați cu totul din sistem.

Pentru a comunica această idee științifică complexă, doi dintre oamenii de știință de la Oxford Five joacă un joc video hiperrealist de realitate virtuală. Participanții se transformă în diferite civilizații umane istorice care par a fi supuse capriciilor unui sistem trisolar. Pe măsură ce jocul avansează, unii dintre cei mai faimoși oameni de știință din istorie își asumă provocarea de a pregăti liderii politici și religioși pentru haos.

Într-un nivel al jocului, Newton face echipă cu informaticianul Alan Turing pentru a rezolva Legea universală a gravitației a lui Newton pe o realizare umană a uneia dintre mașinile de calcul ale lui Turing. Din păcate, previziunile lor sunt greșite, ceea ce duce la moartea lor și la sfârșitul brusc al întregii civilizații simulate.

Apreciind că extratereştrii San-Ti nu vor putea niciodată să prezică sau să controleze traiectoriile haotice ale planetei lor, jucătorii Oxford Five își dau seama în cele din urmă că extratereștrii trebuie să își abandoneze casa pentru a-și salva poporul.

Problema celor 3 corpuri este, așadar, cauza principală a întregii drame care se desfășoară pe parcursul restului seriei și, potențial, a următoarelor două serii pe care creatorii serialului le au în plan.

Cum se va încheia povestea? Ai putea încerca să privești înainte citind cărțile, dar este posibil ca realizatorii serialului TV să aibă alte idei. La fel ca în cazul planetelor și al Soarelui, atunci când există o a treia parte implicată, există întotdeauna loc pentru imprevizibil.