03.01 为什么三体问题不能精确求解,是计算能力问题还是基本原理的限制?

大青马


是基本数学结构的限制吧。一般的三体问题是没有解析解的,而只有解析解才能算得上是精确解。什么叫做「精确」呢?就是没有误差,计算与现实吻合的严丝合缝。举个例子,pi是精确值,而3.1415926是近似值,因为有误差。

另一个例子,物体自由落体,他的高度随时间的变化是-1/2 * g * t^2. 这是精确解。

{0., -0.04905, -0.1962, -0.44145, -0.7848, -1.22625, -1.7658, -2.40345, -3.1392, -3.97305, -4.905}这样的位置列表,即使误差都非常小,也是非精确解。

大家也就可以看到了,精确解通常都需要显式或隐式的表达式,隐式的表达式通常都不是随时间迭代的。

而三体问题,大家虽然都知道它背后的物理,但就是无法算出代数表达式。只有代数式才是精确的,是包含一切信息的。没有代数式,就只能向上面的位置列表那样,一步步地去迭代,去推演。而计算机包含的数字精度都是有限的,会产生误差。而恰恰有的问题,是对初始条件非常敏感的,初始值稍有改变,一段时间以后,计算的数据就有很大的差别。如果是代数式,则不会有这些问题,因为不存在误差累计的问题。

同时,我们能够获得的初始数据都是精度有限的。模型也都是经过简化的,比如很多细节都是被忽略了的。在对初始条件不敏感的系统中,这些简化都是没有问题的。但在三体系统中,这样不可避免的简化就会在长期的尺度上,带来极大的误差。而问题是,我们没有办法处理那样高的精度,也无法预测演化过程中的随机噪声。这就导致我们在长期上无法预测三体系统的演化路径。


章彦博


到目前为止,三体问题不能求得通解,既不是计算能力问题,也不是基本原理问题(微分方程组已十分明确),而是求解方法问题!三体问题是高维非线性微分方程的一个典型。凡是高维非线性常或偏微分方程,都难以求解!因为人们还没找到有效的方法!

自牛顿提出三体问题至今的三百多年间,几乎所有的数学、物理大师都尝试过,遗憾的是无一例外以失败告终!

我们先看看研究三体问题的三大类方法:1.分析方法,是把天体的坐标和速度展开为时间或其它参数的级数表达式来求解;2.定性方法,采用微分方程定性理论来研究宏观情况和全局性质;3.数值方法,利用计算机直接由微分方程计算数值近似解。要精确求解,后两种方法归根到底还都要依赖第一种方法,而恰恰是分析方法出了问题,而且是要命的问题!

先简要地回顾一下,1889年,庞加莱研究了简化版的限制性三体问题,在同宿或异宿轨道附近,解的形态也极其复杂,对初始条件非常敏感(这是许多非线性问题的共同特点),轨道计算如乱麻,干脆称之为“混沌”!既然理论分析方法不对头,那只好用数值方法了。2013年,物理学家米洛万•舒瓦科夫和迪米特拉•什诺维奇运用计算机模拟,求得13组周期性特解,加上以前得到的三组周期性特解:拉格朗日-欧拉解、布鲁克-赫农解、克里斯•摩尔“8”字解,共16族周期性特解。这就是三体问题的最新进展了,再向前推进,举步维艰!

现在的问题是,既然得不到级数形式的解析解,何不考虑代之以积分形式的解呢?又怎样打破牛顿的未来唯一确定论呢?这才是解决三体问题的关键!好在灵感闪现了,已有了新线索,解可以不含时间,读者可能在三五年内就会看到喜迅。


中华保护全球


三体问题不能精确求解,最大的原因是三体系统对初值很敏感,是一个混沌系统。所谓的混沌是指非线性系统对初值敏感所造成的长期不可预测性,混沌不是混乱,是确定性的不可预测性。我们通过计算机模拟三个质点解三体问题时,算法必然存在截断误差,计算机计算存在舍入误差,误差的存在使得计算与真实情况存在差异,而系统本身又对初值敏感,也许小数点后几十位的数值误差,在经过一定时间后,输出就会会产生巨大的差异。这个也可以参考现实世界的例子,我们用尺子量物体长度,其实都是量的近似值,永远无法精确,但我们平时需要的数值往往不需要很精确,所以往往能取得满意的结果,但是三体问题恰恰不行,不精确的输入误差就会积累放大,导致输出误差越来越大。如果真的存在绝对没有误差的计算机算法和计算过程,那我们可以用计算机得到永远精确的数值解,但这是不可能的。正因为我们观测有误差,计算有误差,所以就无法通过观测和一些常用的数值拟合方法来推导出三体运动的轨道方程,所以现在的三体问题的解都是一些零散的数值解,不成体系。


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