Мы проследили за положением планет на миллион лет вперед и назад и убедились, что даже такого ослабленного парада не было и не будет. Жаль, очень было бы красиво! Впрочем, собрание не всех, а трех-пяти планет в одном созвездии происходят не так уж редко, и вы, наверное, уже видели это (газеты всегда сообщают об этом событии заранее).
Если предположить, что планеты притягиваются только Солнцем и не оказывают воздействия друг на друга, то они описывают кеплеровские эллипсы. Каждая планета с некоторым периодом Т возвращается на прежнее место. Периоды у планет различны и общего для всех периода не существует. Так что движение планетной системы не является периодическим с точки зрения математики. Напомню, что в математике явление называется Т-периодическим, если по прошествии времени Т система возвращается в прежнее состояние. Но в природе лишь исключительно простые процессы могут быть такими, например, колебания маятника.
Рассмотрим более сложную систему: смена времен года. Скажем, 1 июля в одном и том же месте в разные годы погода бывает разной, и можно говорить лишь о приблизительной периодичности. Но точные науки не терпят приблизительных терминов. Изобретено понятие квазипериодичности для явления, раскладывающегося на сумму периодических (создателем теории квазипериодических функций был рижский профессор П.Г. Боль).
Невозмущенное движение планет квазипериодично. В сумму скольких периодических процессов оно раскладывается? Вопрос кажется тривиальным — конечно, n, если через n обозначить число планет. Это так, но нельзя ли уменьшить число процессов до n0<n? Оказывается, иногда можно. Рассмотрим два процесса с периодами Т1 и Т2. Пусть T1/T2=р1/р2, где р1, р2 — целые взаимно-простые числа. Тогда оба процесса имеют общий период Т=р2Т1=р1Т2. Например, если две планеты имеют периоды обращения Т1 и T2, то по прошествии времени Т первая планета совершит р2 оборотов, вторая — р1 оборотов и обе окажутся на прежнем месте. В таком случае говорят о резонансе, точнее, о резонансе р1:p2 в движении планет. Если же таких целых чисел p1, р2 не существует, то говорят об отсутствии резонанса в системе.
Итак, при отсутствии резонанса в системе из n планет имеется n независимых периодов, в случае резонанса число последних n0 меньше n.
Маленькое пояснение. Сформулированное определение резонанса прекрасно с математической точки зрения, но не годится в естественных науках. Ведь речь идет о рациональности или иррациональности числа η=Т1/Т2. Только в модельных задачах периоды известны точно и определение имеет смысл. В реальности Т1, Т2 измеряются с некоторой погрешностью. Как бы мала она ни была, различить рациональный и иррациональный случай невозможно в принципе. На практике важно, можно ли представить число η в виде отношения двух небольших целых чисел р1:p2 плюс малая поправка, или нельзя. Если можно, то по прошествии небольшого времени Т система практически вернется в прежнее положение. Например, пусть η=2/3+10—4π. По истечении времени Т=ЗТ1 первый процесс вернется в прежнее положение, а фаза второго сместится всего на тысячную долю окружности, т.е. на треть градуса. Резонанс налицо. Если нельзя, то система вернется в близкое положение очень нескоро. Пусть, например, η=1597/987 (подходящая дробь для «золотого» числа (1+√5)/2). Система вернется в прежнее положение только через огромное время 987Т1=1597Т2. Резонанса нет.
Оказывается, наша Солнечная система устроена так, что массивные тела (восемь больших планет от Меркурия до Нептуна) не резонируют друг с другом. Если перевести колебания планет (а по каждой из координатных осей они колеблются!) в звуковые, то мы услышим не «музыку сфер», а что-то вроде какофонии в оркестре к концу антракта, когда каждый музыкант независимо от других настраивает свой инструмент. Напротив, среди малых тел много резонирующих с большими и друг с другом. Таковы десятки спутников, тысячи малых планет и даже Плутон (напомню, что его масса в шесть раз меньше лунной). Пока он делает два оборота вокруг Солнца, Нептун успевает обежать его ровно три раза.