《三体》里的三个恒星是怎么运转的?为什么无法预知?

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《三体》这部科幻小说构筑了一个特殊的恒星系,这个恒星系有三颗质量差不多大的恒星相互绕行,三颗恒星的轨道的变得不可测,造成了三体星人的恶劣的自然环境。这就是经典的“三体”问题。

图:三体运动



三体问题说的是:三颗质量、初始位置和初始速度都是任意的可视为质点的天体,在引力的作用下的运动规律问题。三体运动起源于牛顿时代,牛顿力学定律能很精确的计算两个相互吸引的天体运动的规律,但三个天体的运行牛顿却没能给出答案。在随后的200年里,这个“三体”问题一直困扰着物理学界和数学界。

1887年,瑞典国王为了庆祝自己的60岁生日,赞助了一项竞赛,征求太阳系稳定问题的答案。这实际上就是三体问题的变种。同时期“我大清”的实际掌权者慈禧太后过生都干了些什么?想想都来气!这是题外话。


:儒勒·昂利·庞加莱

数学家庞加莱参与了这个活动,他简化了这个问题,即:三体运动中,其中两个星体的质量非常大,大到另一个的星体的质量可以忽略,例如地、月和太阳组成的系统。庞加莱在这次竞赛中发现了混沌理论。他发现,在三体运动中,其中一个星体如果被轻微的扰动后(这种扰动在宇宙中不可避免),后面的结果将会变得不可测。虽然他并没有给出答案,但把这一问题的解决向前推进了一步,他最终也获得了这次竞赛的奖金。

图:限制性三体问题



现在已知,这是一个非常复杂的数学问题,三体问题不能精确求解,只有几种特殊情况的解。实际上,真正的混沌的三体运动在天体运行中不可能长时间存在,最终它们会因为轨道的混乱无序,其中两颗会撞在一起,三体问题就成为经典的两体问题了;或者形成由三颗恒星组成的三合星系统,一般都是由两颗恒星相互绕行,然后与另一颗远处的恒星相互绕行,虽然无法精确的求解,但大致上可以看成两体问题。

图:三合星


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