¿Qué es el problema de los tres cuerpos y por qué los científicos están más cerca de resolverlo?

Física

Un enfoque fresco y abstracto para resolver el modelo estadístico del famoso “problema de los tres cuerpos”. Esta idea prometedora aborda el caos entre los cuerpos en órbita al tratar el espacio como una región de ocho dimensiones.

Orden en el caos
Las tres leyes del movimiento de Isaac Newton pueden describir con elegancia la física básica de cómo interactúan las cosas en el universo. Estas ecuaciones se pueden utilizar para describir cómo la Tierra orbita al Sol o cómo la Luna orbita a la Tierra. Sin embargo, cuando Newton intentó introducir un tercer objeto en un par de objetos en órbita, como una relación entre la Tierra, la luna y el sol, sus ecuaciones se rompieron.

Inmediatamente, se produce una lucha por el poder que arroja a todo el sistema al caos. Por ejemplo, si imagina tres estrellas de tamaño similar en un curso de colisión, incluso si supiera sus velocidades y ubicaciones precisas, no hay forma de predecir cómo se desarrollará exactamente el destino de las estrellas. La tercera estrella podría girar furiosamente alrededor del centro de gravedad del otro par estelar, antes de escapar al espacio. O tal vez la estrella que es expulsada vuelve a caer hacia el par.

En cualquier caso, no hay forma de saberlo con certeza, y esa es la única certeza que tenemos desde que Henry Poincaré demostró matemáticamente en el siglo XIX que no existe una ecuación que pueda predecir con precisión las posiciones de todos los cuerpos en todos los momentos futuros. Esencialmente, Poincaré demostró que una solución general al problema es esencialmente imposible debido a la dinámica caótica. Este enigma, conocido como el “problema de los tres cuerpos”, sigue siendo irresoluble hasta el día de hoy.

Pero eso no significa que hoy los científicos no sepan cómo predecir, al menos hasta cierto punto y con cierto margen de error, cómo interactuarán tres cuerpos. En lugar de intentar resolver el problema de los tres cuerpos por la fuerza, los científicos a lo largo de los años han desarrollado métodos que se aproximan a la probabilidad de ciertos resultados.

El esfuerzo más reciente de este tipo es también el más espectacular. Barak Kol, físico de la Universidad Hebrea de Jerusalén, simplificó el marco probabilístico del problema de los tres cuerpos al renunciar al espacio 3D convencional. En cambio, el físico optó por un reino abstracto conocido como “espacio de fase”, donde cada punto representa una posible configuración de las tres estrellas (posición, velocidad, masa), resultando en un patio de recreo de ocho dimensiones.

En un sistema caótico como el problema de los tres cuerpos, nunca hay un único resultado posible. Pero utilizando el marco de trabajo de Kol, es posible explorar cada camino caótico calculando estadísticamente el volumen dentro del espacio de fase para cada movimiento caótico.

Anteriormente, el Dr. Nicholas Stone, también de la Universidad Hebrea de Jerusalén, publicó un estudio de 2019 en el que describieron una solución aproximada al problema de los tres cuerpos al enfocarse en el límite del espacio caótico donde el sistema de tres cuerpos pasa al movimiento de un sistema predecible de dos cuerpos; en otras palabras, casi cuando el tercer cuerpo es expulsado. El marco de Kol es bastante diferente, involucrando “agujeros” en el sistema caótico. Mientras Stone imaginaba una región caótica como un globo, el enfoque de Kol implica agujeros discretos como el queso suizo. Estos agujeros representan regiones donde es más probable que el caos se encienda y apague.

Finalmente, Kol introduce el concepto de absortividad caótica, que describe las probabilidades de que un par estelar estable se sumerja en el caos si se introduce una tercera estrella. El método descrito en el estudio, que apareció en Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, se puede utilizar para responder a todo tipo de preguntas estadísticas. Por ejemplo, el marco se puede utilizar para evaluar cuándo un trío expulsará a un miembro o cuáles son las probabilidades de que este tercer miembro sea expulsado del sistema a ciertas velocidades.

En el universo, es bastante común encontrar sistemas de tres miembros, como tríos de estrellas y agujeros negros. Para que los científicos lleguen a comprender por completo cómo se formaron estos sistemas o cómo continuarán evolucionando en el futuro, deben abordar el temido problema de los tres cuerpos. El marco de trabajo de Kol, que todavía requiere muchas pruebas, es muy prometedor hasta ahora. En simulaciones por computadora que realizaron millones de iteraciones, este enfoque abstracto clavó con precisión los resultados de los pronósticos simulados.

Fuente: ZME Science.

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