【物理科普】三體問題為什麼這麼難?

2021-02-15 環球物理

一提到三體問題,大家的感覺就是這個東西不可解,數值計算又不能長期預言其軌跡(混沌),總感覺沒什麼規律可言,但真的是這樣麼???

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???

1887年的時候,Bruns證明三體問題有18個一階微分方程,但是我們可能並不能找到這麼多的運動積分,之後的彭加萊也得到相同的結論,我們找不到足夠多的由坐標,動量和質量的解析函數構成的運動積分。這意味著,我們沒辦法用代數和積分的方式來表示三體問題的解。也就是常說的三體問題沒有一般的解析解(注意是一般的,在某些特殊初值下,是有解析解的)。那只能數值求解了。。。

大家可以先感受一下在不同初值條件下,三體問題的運動形式~~~

這個圖的意思是在不同初值條件下,軌跡的演化情況。這裡面,每一幀的初值除了位置都是相同的。而且m1=m2=m3~~~

這是在紅色的星體質量越來越大而變化的軌跡圖,顯然兩個其他星體都被慢慢吸引過去,就像地球,火星,太陽一樣~~~

這個就更有意思了,紅色星體(太陽)遠大於綠色星體(地球)遠大於藍色星體(月亮),你可以看到,在月亮慢慢接近地球的時候,先被地球所俘獲,最後又被太陽所俘獲。。。

地球:這真是一個悲傷的故事

最後我們再來感受一下所謂的初值敏感性----混沌問題。這裡面紅色和綠色的質量相當(相當於兩個太陽),藍色的質量很小(地球),可以看到藍色的星體初始位置稍微改變一下,之後的軌跡就會變得完全不同~~~

看了這些,小夥伴們可能會感覺,這軌道這麼複雜,完全是一個混沌問題,沒有一般的解析表達式,同時數值求解在長時間又會有很大偏差,但同時這個系統又是決定論的系統(就是給定初態,末態演化被完全決定),所以我們感受到了自然界的深深的惡意。。。

但是大自然雖然給我們關上了認識自然地大門,但同時也給我們留了幾扇窗。

人們發現,複雜的三體問題中,竟然能夠找到一些周期解!!!

神奇吧~~~在複雜的三體問題中,竟然還有一些仿佛是上帝特意留給我們的彩蛋一樣的周期解~~~也許,這就是大自然的神奇之處吧。

在最後,讓我們引用牛頓的名言作為我們的結束語吧,這個名言可謂說出了許多物理學家的心聲

「我好像是一個在海邊玩耍的孩子,不時為拾到比通常更光滑的石子或更美麗的貝殼而歡欣鼓舞,而展現在我面前的是完全未探明的真理之海。」

——艾薩克 牛頓

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本期編輯 霧裡人

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