地球本该不存在：太阳系的混沌与稳定，背后隐藏的神奇数学规律

地球可能不应该存在。这听起来像是一个荒谬的说法，但它却是科学上的一个谜团。为什么我们的家园能够在太阳系中安然无恙地绕着太阳转呢？为什么它没有被其他的行星撞碎或者被太阳的引力吞噬呢？这些问题并不是空穴来风，而是有着坚实的理论基础。根据现有的模型，内太阳系的行星——水星、金星、地球和火星的轨道是混乱的，它们应该已经相互碰撞了，或者被抛离了太阳系。然而，这并没有发生。我们的地球仍然存在，而且拥有着丰富的生命。这到底是怎么回事呢？

发表在《物理评论X》杂志上的一项新研究可能最终解释了原因。这项研究由法国巴黎天文台的雅克·拉斯卡教授领导，他是一位著名的天体力学专家，曾经预测了太阳系的未来演化。通过深入研究行星运动模型，研究人员发现，内行星的运动受到某些参数的约束，这些参数充当抑制系统混乱的束缚。除了为我们太阳系的表面和谐提供数学解释外，这项新研究的见解可能有助于科学家了解其他恒星周围系外行星的轨迹。

行星不断地相互施加引力——这些小拖船不断对行星的轨道进行微小的调整。外行星要大得多，对小拖船的抵抗力更强，因此保持相对稳定的轨道。然而，行星内部轨迹的问题仍然过于复杂，无法准确解决。19世纪末，数学家亨利·庞加莱证明，在数学上不可能解决控制三个或更多相互作用物体运动的方程，通常被称为“三体问题”。因此，行星起始位置和速度细节的不确定性会随着时间的推移而膨胀。换句话说：可以采取两种情况，其中水星，金星，火星和地球之间的距离相差很小，在一种情况下，行星相互撞击，而在另一种情况下，它们分开。

具有几乎相同起始条件的两条轨迹偏离特定量所需的时间称为混沌系统的李雅普诺夫时间。1989年，拉斯卡教授是这项新研究的合著者，他计算出内太阳系行星轨道的特征李雅普诺夫时间仅为500万年。

“这基本上意味着你每1000万年就会失去一位数，”拉斯卡教授说到。因此，例如，如果行星位置的初始不确定性为 15 米，那么 1000 万年后，这个不确定性将是 150 米;1亿年后，又丢失了9位数字，不确定性为1.5亿公里，相当于地球和太阳之间的距离。“基本上你不知道这颗行星在哪里，”拉斯卡教授说。

虽然 1 亿年看起来很长，但太阳系本身已有超过 45 亿年的历史，缺乏戏剧性事件——例如行星碰撞或行星从所有这些混沌运动中弹出——长期以来一直困扰着科学家。事实上，太阳系的历史并不平静，曾经发生过多次行星的重排和碰撞。最著名的一次是大约45亿年前，一颗火星大小的天体撞击了地球，导致月球的形成。另一次是大约40亿年前，一颗水星大小的天体撞击了金星，使其自转方向反向。还有一次是大约38亿年前，一颗小行星撞击了火星，造成了巨大的地质特征——赫拉斯盆地。这些事件都是太阳系的重大转折点，对行星的演化产生了深远的影响。

然后，拉斯卡教授以不同的方式看待这个问题：通过模拟未来50亿年的内行星轨迹，从一个时刻步到下一个时刻。他发现行星碰撞的可能性只有1%。使用同样的方法，他计算出任何行星平均需要大约300亿年才能碰撞。这意味着，尽管内行星的轨道是混沌的，但它们并不是完全随机的，而是受到了某些因素的限制。

拉斯卡教授和他的同事们深入研究了数学，首次确定了引力相互作用中的“对称性”或“守恒量”，这些相互作用在“行星的混乱徘徊中创造了一个实际的障碍”，拉斯卡教授说。

这些紧急量几乎保持不变，并抑制某些混沌运动，但并不能完全阻止它们，就像餐盘的凸起唇会抑制食物从盘子上掉下来，但不能完全阻止它。我们可以感谢这些数量，因为我们的太阳系表面上是稳定的。

亚利桑那大学行星科学教授Renu Malhotra没有参与这项研究，他强调了研究中发现的机制是多么微妙。马尔霍特拉教授说，有趣的是，我们太阳系的行星轨道表现出异常微弱的混乱。这是一种非常罕见的现象，我们不知道其他太阳系是否也有类似的特征。

在其他工作中，拉斯卡教授及其同事正在寻找线索，以确定太阳系中的行星数量是否与我们目前看到的有所不同。尽管今天看起来很稳定，但在生命进化之前的数十亿年里，情况是否一直如此，仍然是一个悬而未决的问题。也许，我们的太阳系曾经有更多的行星，但它们已经被摧毁或逃逸了。也许，我们的太阳系还会有新的行星加入，或者现有的行星会发生变化。这些都是值得探索的问题，也是太阳系的魅力所在。

这项新研究为我们揭示了太阳系的一个重要秘密：为什么地球能够存在。这并不是一个偶然的结果，而是一个精妙的平衡。我们的太阳系既有混沌的一面，也有稳定的一面，这些都是由一些隐藏的数学规律所控制。