Физики обосновали возникновение во Вселенной объектов с большим разнообразием масс, подчиняющихся правилу иерархии: чем меньше масса тел, тем больше их количество.

Адриан Бежан, физик-теоретик из американского университета Дюка,  еще в 1996 году сформулировал закон, который назвал «законом конструкции» в природе. Очень коротко смысл закона заключается в следующем: система развивается таким образом, чтобы обеспечить наибольшую эффективность, при этом возникают иерархические структуры по принципу «больших мало, маленьких много». В частности, если в системе имеется напряженность, то эволюция системы должна протекать так, чтобы снять напряженность за самое короткое время.

Когда буровой раствор сохнет, его внутреннее напряжение растет, пока он вдруг не растрескается в иерархическом порядке, то есть с несколькими крупными трещинами наряду с большим числом маленьких.

Процесс иерархического рождения тел, аналогичного растрескиванию раствора, отвечает за широкое разнообразие размеров небесных тел. (Рис. NASA)

Известный физик и популяризатор науки, автор «закона конструкции» в природе, профессор университета Дюка Адриан Бежан.

На основе этого закона Адриан Бежан и его студент Рассел Уэгстаф обосновали возникновение в ранней Вселенной тел самых разных масс по иерархическому принципу: больших тел мало, а маленьких много. Результаты работы были опубликованы в журнале Journal of Applied Physics.

Раннюю Вселенную на определенном этапе развития можно рассматривать как объем,  равномерно заполненный частицами. Поскольку каждая из них взаимодействует с другими гравитационной силой, система находится в напряжении и неустойчива. В некоторый момент времени частицы начинают группироваться, образуя тела разных размеров. При этом напряжение убывает.

Авторы работы с помощью мысленных экспериментов и простых уравнений физики, показывают, что самый быстрый способ уменьшения напряжения и соответственно эволюции Вселенной – это формирование иерархии всевозможных масс.  Другими словами, если все возникающие тела имеют близкие массы, то напряжение будет уменьшаться менее эффективно, а эволюция Вселенной происходит медленнее. Природа же «предпочитает» быстрый путь. Указанный механизм распространяется и на формирование планетных систем.

До этого Адриан Бежан применял свой «закон конструкции» для других систем: бассейна рек, корневой системы растений, кровеносно-сосудистой системы человека и даже для трещин на поверхности краски или почвы. В последнем случае иерархическое растрескивание повышает эффективность высыхания.

«Мы знаем из опыта, что объекты, испытывающие объемное натяжение, трескаются, и они мгновенно трескаются повсюду, – говорит Бежан. Самый простой пример – это краска, сохнущая на стене. При высыхании она сжимается, приводя всю систему в напряжение. Потом бум – и внезапно она вся быстро трескается, высвободив напряжение. И дизайн этого рельефа имеет иерархическую структуру, то есть несколько крупных трещин и много мелких».

«Все объемные разрушения являются иерархическими. Вы никогда не увидите равномерное растрескивание или осыпание, – добавляет Бежан. В небесной механике есть очень старая идея, что тела слипаются и растут под действием силы тяжести, что, конечно, правильно. Но рост – это одно, а то, что растет иерархически, а не все в одном и том же размере, это другое».

По материалам Университета Дюка