300多年前難倒牛頓的「三體問題」或有解了

2020-12-04 環球網

科技日報北京12月19日電 (記者劉霞)劉慈欣科幻小說《三體》讓許多人知道了「三體運動」這個世紀難題。300多年前,艾薩克·牛頓爵士提出了著名的「三體問題」,迄今,這一直是科學界懸而未決的難題之一。一個國際科研團隊在最新一期《自然》雜誌撰文稱,他們朝解決這一難題邁出了關鍵一步:不穩定的三體系統最終會踢出一個,剩下兩個會形成穩定二元關係,可利用傳統方法預測其運動。

300多年前,牛頓提出了著名的運動定律,為我們理解太陽系,乃至一切物體質量與施加於其上的力之間的關係奠定了基礎。在用這些定律描述行星繞太陽如何運動後,牛頓開始思索:如果有第三個天體(如月球)闖入其間會發生什麼呢?實際上,三體方程極難求解。

當兩個(或三個大小和距離差別很大的物體)繞一個中心點旋轉時,用牛頓運動定律很容易計算出它們的運動軌道。但如果這三個物體的大小和與中心點的距離均相當,則「權力的爭奪戰」開始,整個系統陷入混沌。一旦混沌發生,就不可能用常規數學方法研究物體的運動,困擾科學家數百年的「三體問題」由此浮出水面。

現在,以色列希伯來大學天體物理學家尼古拉斯·斯通博士領導的國際團隊稱,他們在解決這一難題方面邁出了一大步。

斯通團隊的研究基於過去幾百年的天文發現。這些發現指出,不穩定的三體系統最終會摒棄其一,剩餘兩者會形成穩定的二元關係,這一穩定關係正是他們此次的研究重點。

斯通團隊沒有將系統的混沌行為視為障礙,相反,他們使用傳統數學方法預測行星的運動。斯通說:「我們將預測結果與計算機生成的實際運動模型進行比較,發現預測值非常準確。」

斯通強調,這一發現並非三體問題的嚴格解,但統計解依然非常有用。他解釋說:「以三個彼此繞行的黑洞為例,三個黑洞在一起,其軌道必然變得不穩定。但即便其中一個黑洞被踢出去,我們仍對剩下兩個黑洞間的關係非常感興趣。」

研究人員稱,這種預測新軌道的能力對我們理解這些天體,以及任何三體問題中「倖存者」在新穩定狀態下的行為至關重要。

相關焦點

  • 人類與三體問題的故事(四):三體問題級數解的發現
    他的這一傑出工作擊碎了很多人試圖求解三體問題的幻想。這雖然讓他們感到難受,但與此同時也終於解脫了他們長久以來在三體問題研究中近乎苦行僧般的勞苦。要知道在科學研究中,不確定性是最折磨人的。問題可以無解,但絕不能似乎有解又似乎無解。龐加萊的工作在某種意義上相當於是給出了三體問題的一個確定性的判斷:它沒有代數解。不過,問題的確定性看上去似乎是一種合理的訴求,而實則是一種過於高傲的奢望。
  • 三體問題究竟是否可解?
    天文學問題變成數學問題,也就是變成解一組微分方程。大家可能知道,方程有代數方程,也有微分方程。從某一程度而言,預測天體運行就變成了解一個數學的微分方程。當然,最簡單的是二體問題,比如預測太陽和一個行星的運行軌跡。這時候要解的微分方程相對比較簡單。
  • 三體問題究竟是否可解?-虎嗅網
    天文學問題變成數學問題,也就是變成解一組微分方程。大家可能知道,方程有代數方程,也有微分方程。從某一程度而言,預測天體運行就變成了解一個數學的微分方程。當然,最簡單的是二體問題,比如預測太陽和一個行星的運行軌跡。這時候要解的微分方程相對比較簡單。
  • 劉慈欣小說《三體》中的三體問題原來就是一個科學難題
    一般的三體問題,每一個天體在其他兩個天體的萬有引力作用下,其運動方程都可以表示成6個一階的常微分方程,因此,一般三體問題的運動方程為18階方程,必須得到18個積分才能得到完全解。 然而,現階段還只能得到三體問題的10個初積分,遠遠不足以解決三體問題。
  • 「三體問題」是否真的無解?
    17世紀時牛頓就提出了三體問題,採用簡單的方法預測三個圍繞彼此旋轉的天體運動路徑讓物理學家大傷腦筋,伴隨科技的發展,使用人工智慧技術,即刻便可解決這一問題。我們先來了解一下什麼是三體問題?三體問題(three-body problem)是天體力學中的基本力學模型。
  • 比人類高級很多的三體文明,為何也不能預測三體運動?
    三體問題是物理學和數學中的難題,現在我們知道三體問題是無法求精確解的,三體人所在的三體星系有三顆恆星,這三顆恆星相互繞行,他們無法預測三顆恆星的未來。但是上面的情況,均等效於二體運動,也就是只有兩個天體的運動規律,我們很容易建立方程然後求出解;一旦我們再加入一個天體變為三體運動,那麼情況就複雜了,科學家發現三體問題不再像二體問題那樣具有固定的解。在1885年,瑞典國王設立「N體問題獎」,法國著名科學家龐加萊,利用超高的數學技巧,證明了三體問題沒有通解,他因此獲獎。
  • 【物理科普】三體問題為什麼這麼難?
    前方高能:大量動圖+表情來襲三體問題是指,在給定質量,初始坐標,初始速度的三個質點,在受萬有引力的作用下,它們的運動規律是什麼樣的?比如只考慮地球,月亮,太陽的萬有引力,他們的運動軌跡是什麼樣的呢?這個問題為什麼這麼難???
  • 什麼是三體問題?三體問題真的不可解嗎?人工神經網絡找到了辦法
    然而實際上三體問題由來已久。何為三體問題呢?簡單來講,就是三個可視為質點的天體在相互的引力作用下的運動規律問題。而在《三體》小說之中,這三個可視為質點的天體就是三顆恆星。當只有一顆恆星的時候,問題是非常簡單的,就如我們的太陽一般,我們能夠對太陽的運動了如指掌。
  • 什麼是三體問題?三體問題真的不可解嗎?人工神經網絡找到了辦法
    很多人認識三體問題是通過一部著名的科幻小說《三體》而知的。然而實際上三體問題由來已久。何為三體問題呢?簡單來講,就是三個可視為質點的天體在相互的引力作用下的運動規律問題。而在《三體》小說之中,這三個可視為質點的天體就是三顆恆星。
  • 天文學當中有個著名的三體問題,牛頓和此後的科學家都無法解答
    在牛頓之後的200多年間,歐拉、拉格朗日、拉普拉斯都為三體問題傾注了大量精力和才華。令人唏噓的是,太陽升起復又落下,月亮高懸繼而沉淪,三體問題在前人日復一日的研究中卻展現出愈來愈驚人的複雜性。人類歷史上最傑出的大腦都在此折戟受挫。如果我們對太陽、月亮和地球的命運都一無所知,又何來對宇宙的掌控和認知?
  • 三體問題真的無解嗎?也許這就是大自然,對科學家深深的惡意!
    在科學上,存在很多"無解"的情況,比如著名的三體問題,五次及五次以上方程求根問題,非線性單擺問題等等。大劉的小說《三體》中,描述了三體人所在恆星系,因無法預言三體問題的精確解,最終三體星球會走向滅亡。那麼三體問題為何無解?就算沒有公式解,三體人擁有強大的量子計算機,難道都計算不出三體系統的數值解嗎?回答是肯定的,三體問題並不是單純的計算力問題!
  • 限制性三體問題特解—拉格朗日點,為何成為太空飛行器的「停車場」
    (數值解是在特定條件下通過近似計算得出來的一個數值, 解析解就是表達式中可以算出任何對應值)正因為我們根本沒有辦法把所有「三體問題」歸納整理為一個公式,從而得出解析解,所以科學家才會把「三體問題」看作是永遠無解的難題。
  • 引無數科學家競折腰的「三體問題」到底有多難?
    其實,小說中這個「三體問題「在現實中同樣困擾了人類幾百年,無數偉大的數學家為之費盡思索,而第一位在「三體問題」上做出重要貢獻的便是我們今天的主人公——亨利·龐加萊(Henri Poincaré)。1885年,這個問題來到了年輕的礦業工程師兼數學家龐加萊手中,他從大學時代便開始思考這個問題,如今又有懸賞,正是開展研究的時機。
  • 引無數科學家競折腰的「三體問題」到底有多難?
    2015年,劉慈欣所著的長篇小說《三體》獲得了科幻文學大獎——雨果獎。小說中三體人生活的行星圍繞著三顆恆星組成的三體系統運行。三體人演化出了極為先進的科技,卻始終無法解決世世代代困擾著他們的「三體問題」。正因如此,他們的文明無數次重建後又被摧毀。
  • 科學家公布關於三體問題的新發現!三體人有救了?
    《三體》是中國科幻小說的巔峰之作,這部科幻巨著的創作基礎源自一個著名的天體物理學問題——三體問題。「物理學中的三體問題看似簡單,實則極其複雜,且至今無解,正是對這樣一個基礎問題的想像,產生了《三體》系列這三部小說。」原著作者劉慈欣曾經如是說。
  • 三體:雲天明童話,拉格朗日點的象徵!三體編年史四十三
    在三體第一艦隊指揮中心,一個三體少年深情的望著前方已衝出視界的水滴,眼中充滿無限憧憬。隨著衝出的水滴,遵照雲天明的指示,第一艦隊有保留的,向遠在宇宙另一端的三體第二艦隊,傳送了關於四維空間及降維打擊的部分訊息,同時鄭重的通告了雲天明要和程心會面的消息。   這是第一艦隊力量的宣示,也是這支古老艦隊300年的科技結晶。
  • 《流浪地球》:地球去的比鄰星有三個太陽,會不會遇到三體問題?
    《流浪地球》:地球去的比鄰星有三個太陽,會不會遇到三體問題?文/猿飛日月流浪地球這部電影,想必大家都已經看了,關於這部電影,很多人都看得熱血沸騰,這部電影更是被稱之為中國科幻電影的裡程碑之作,其實流浪地球和三體一樣都是我國著名科幻作家劉慈欣的作品,不過這確實是兩個世界的故事,二者之間並沒有什麼太大的交集。
  • 中國巧用三體問題,發射全球首顆月球中繼衛星,美國都不敢這麼玩
    (數值解是在特定條件下通過近似計算得出來的一個數值, 解析解就是表達式中可以算出任何對應值)正因為我們根本沒有辦法把所有「三體問題」歸納整理為一個公式,從而得出解析解,所以科學家才會把「三體問題」看作是永遠無解的難題。限制性三體問題的特殊條件解:拉格朗日點正是因為三體問題永遠無解,所以科學家一般都是研究限制性三體問題的特殊解。
  • 非三體迷勿點:《三體》其實是「四體」?
    我是你的專屬評論員,「每年讀300本書、讀書不挑食」的軒轅。昨天和前天,我們評論了《三體秘密》,重點關注了《三體》結局之後可能的結局,以及章北海此人。今天繼續為你評論《三體秘密》這本書。問題我們的問題就是——讀了這麼多年的《三體》,你真的知道「什麼是三體問題」嗎?
  • 《三體》中三體星被毀滅的謎團,其實早有預謀!三體編年史三十二
    所有的人都知道,繼續航行對這支只有光速1%,已經航行了300年的艦隊究竟意味著什麼?這支偉大的艦隊將在無邊的宇宙荒漠中耗盡最後一絲生機,直至滅亡。「三體世界已經不信任我們了,三體世界已經背叛了我們……」人們抱怨著,甚至充滿著對人類的同情!