困扰科学家300余年的“三体问题”——《期势纵谈》谢燕才

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s先生 2022-06-21 14:19:44
来源:爱提网
运用牛顿的万有引力理论能准确预测两个互相吸引的天体之运动规律——它们的轨道基本是椭圆形的。但如果有三个天体,比如太阳、地球和月球相互作用,其运行有何《期势纵谈》谢燕才规律?科幻作家刘慈欣在其科幻小说《三体》中虚构了一个“三体世界”,向公众科普了牛顿1687年提出的这个著名的“三体问题”。300余年来,“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。
近期,上海交通大学廖世俊教授和其博士生杨宇,以及暨南大学李晓明副教授在国际杂志《New Astronomy》发表论文,通过将“机器学习”与其发明的一种极高精度的数值算法相结合,提出了求解“三体问题”周期轨道的路线图,大大提高了计算效率。

自牛顿提出“三体问题”的300多年以来,科学家仅仅发现“三体问题”的三类周期轨道。为什么“三体问题”周期轨道如此难找?1890年法国科学家庞加莱发现,三体系统的运动《期势纵谈》谢燕才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,没有解析解。1963年,美国科学家劳伦茨提出著名的“蝴蝶效应”来形容这种轨迹对微小扰动的敏感性。这种敏感特性的发现,标志着混沌动力学的诞生,它与量子力学、相对论被认为是20世纪最伟大的三大物理理论之一。
在小说《三体》中,“三体人”生活的行星在一个由三颗恒星组成的三体系统中运行,这三颗恒星的运动毫无规律,“三体人”的天空时常同时出现二个、三个太阳或者一个太阳也没有,导致“三体人”的星球不定期发生生命灭绝,“三体文明”不断毁灭与重生。事实上,“三体问题”的混沌性质,也正是科幻小说《三体》中“三体文明” 不断毁灭的科学依据。
理论上讲,正是因为“三体问题”本质上的混沌性,导致采用传统的数值方法很难在一个较长时域内获得三体系统的准确轨道。众所周知,任何数值计算都存在误差。但2006年劳《期势纵谈》谢燕才伦茨发现,数值误差同样会导致混沌系统的轨迹迅速偏离,任何算法都不能获得收敛的混沌轨迹。因此,即便在计算机性能达到每秒100亿亿次量级的2013年,塞尔维亚科学家舒瓦科夫和什诺维奇采用传统数值方法也仅发现“三体问题”11类周期轨道。

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