“三体问题”是什么？就真的解决不了吗？

发布者：自由知新 2024-6-26 15:17

随着，刘慈欣科幻小说《三体》的播出，使这个由来已久的“三体问题”再次进入到大众的视野之中。小说讲述的是“三体人”生活在一个由三颗恒星组成的三体系统中，这三颗恒星的运动毫无规律，导致“三体人”的星球不定期发生文明的毁灭与重生，而他们却无法预测。

1687年牛顿提出了“三体问题”，在此后的时间里，“三体问题”得到国际学术界的广泛关注，也成为历史上最著名的科学问题之一。那么“三体问题”是什么？又有什么神秘的地方吗？

“三体问题”是天体力学中的基本力学模型。它是指三个质量、初始位置和初始速度都是任意的天体，在相互之间的万有引力作用下的运动规律问题。简单地说就是三个物体之间，运动规律的问题。虽然这听起来很简单，但这却是一个众所周知的棘手问题。

对于物理学家来说，预测两个大质量物体的运动是小菜一碟，比如在一个只有两个天体的系统中，一颗行星和一颗恒星，计算它们如何相互移动是相当简单的。大多数时候，这两个物体将围绕它们的质心大致绕一圈，并且每次它们都会回到它们开始的地方。但当第三个物体加入时，事情就会变得复杂得多，问题就变得不能精确求解。第三个物体吸引着彼此绕行的两人，会将它们从可预测的路径中拉出来。走着走着就散了，走着走着就撞了。

这三个物体的运动取决于它们的起始状态——它们的位置、速度和质量。即使其中一个变量发生微小的变化，由此产生的运动也可能完全不同。举个例子，我觉得这就像你走在山脊上，只要有一个小小的改变，你要么向右跌倒，要么向左跌倒。这是两个非常接近的初始位置，它们可能导致非常不同的状态。这听起来是不是很神奇？只又加入了一个物体就变得无法预测，对人类来说无解了？

1890年法国科学家庞加莱发现，三体系统的运动轨道对初始条件非常敏感，任何微小扰动都会迅速增长，造成轨道很大的偏离。他还发现，三体系统各个星球运动的轨道通常不是周期性的，没有通用的解析解。这种轨迹对微小扰动非常敏感，就像是著名的“蝴蝶效应”。北美洲的一个飓风，很可能是几周前远在南美洲的一只蝴蝶扇了几下翅膀所引发的。

三体问题，虽然不能精确求解解。但是已经找到了一些解决方案，但这只能在三体系统满足几个“苛刻”的特定条件时，才能实现三个质量相等的物体以稳定的八字形模式相互逐，然而，当涉及到太空中的真实系统时，这种理想化的解决方案是不存在的。

那么有人会问，太阳、地球和月亮是不是一个三体问题呢？回答是肯定的。那么我们是如何得知地球围绕太阳转的运动轨迹的呢？那是因为月球的质量远远小于太阳和地球，因此可以近似地忽略掉来自月球的引力作用。也就是说，在这个例子中，三体问题近似地变成了二体问题。因此，我们可以近似地预测地球围绕太阳是如何运动的。

然而随着人类算力的增加，利用现代超级计算机的巨大的计算能力，科学家们最近取得了巨大的突破，他们已经发现了大约12000个特定的、稳定的轨道构型，所有这些都是在牛顿定律的框架内。这一成就加深了我们对天体力学的理解。

研究三体问题的意义在哪里？它可以帮助人类预测天体系统的长期行为，在寻找可能适合居住的系外行星时，尤其重要。解决三体问题也为太空探索带来了巨大的好处，在多体系统中，准确地预测航天器的运动轨迹，优化燃料消耗，避免碰撞和确保太空任务的成功至关重要。此外，通过完善三体相互作用模型，我们可以更好地预测我们宇宙邻居的长期演变。