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新家园比邻星?揭秘三体世界!

小说:三体社区作者:www.santiw.com 发布时间:2019-03-11 00:34
三体世界比邻星揭秘新家园
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新家园比邻星?揭秘三体世界!

引言

 

刘慈欣的科幻作品可谓是让半人马座α星这个三星系统大火了很多把。在《三体》中,这三颗星是三体人的“太阳”,但它们的运动扑朔迷离,导致三体人的星球忽冷忽热,三体人不堪“虐待”,从这个三体星系出逃;而《流浪地球》中人类又把这个三星系统作为地球的新家园,这引起了不少的段子疑惑:半人马座α星到底能不能作为地球的新家园?三体问题真的有那么可怕吗?

 

 

半人马座α星的故事

 

让我们先从半人马座α星开始吧!

 

半人马座α星,位于半人马座,是一个著名的三合星系统,由半人马α星A半人马α星B半人马α星C这三颗星共同组成。其中,A星是夜空中第四亮星,亮度居三颗星之首,体积也是三颗星中最大的;B星是第21亮星;C星又称比邻星,不过遗憾的是,由于它在天空中的位置偏南,北半球的绝大部分地区都无法看见它。

 

与此同时,半人马座α星还是离太阳系最近的恒星系,与我们的距离只有4.2光年!4.2光年是什么概念?在天文学的尺度上,4.2光年“就像在自家后院一样”。

 

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半人马座α星的三星与太阳大小的比较

从左到右依次为太阳、半人马α星A、半人马α星B和比邻星

 

作为一个三合星系统,半人马座α星理所当然也是一个三体系统。《三体》将这个三体系统描述成一个无规律可言的系统,但是实际上,半人马座α星是一个稳定的三体系统(半人马座α星乖巧.jpg),三颗星的运动还是有章可循的:A星和B星组成一个名叫南门二的双星系统,而C星围绕南门二运转,它们并不会出现《三体》中毫无章法群魔乱舞让三体人惶惶终日的情况。因此单从运动规律性而言,半人马座α星可堪成为人类的新居所。

 

 

三体问题的故事

 

了解完半人马座α星这个特殊的稳定三体系统,你或许有了新的疑惑:难道《三体》对三体的物理描述是错的?三体系统到底有没有规律,我们到底能不能通过观测发现它的规律?不要着急,接下来让我们“从特殊到一般”,把目光投向三体系统全体,答案自见分晓。

 

顾名思义,三体问题是指三个质量、初始位置和初始速度都是任意的可视为质点的物体,在相互之间万有引力的作用下的运动规律问题。也就是说这三个物体除了相互的万有引力之外,不受其他力。三体问题是天文的基本模型之一,也是中学物理非常喜欢的模型之一。

 

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一个三体模型,图源毕导

 

在我们的生活中,就有一个我们非常熟悉的三体模型——太阳、地球和月亮。由于宇宙如此广袤,它们可以近似为质点,其他天体对它们的影响也可以忽略不计,它们可以很好地近似为一个三体系统。早在17世纪,牛顿就在他的著作《自然哲学的数学原理》中提到了这个系统,他发现由于日、地、月三者互相的影响,月球的运动实际上是不规律的。这给我们留下了一个印象:

 

三体问题是一个复杂的问题,哪怕是一个极微小的扰动,都会给系统的运动趋势造成巨大的偏差。

 

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牛顿巨佬的凝视

 

但是人们就爱挑战不可能,就要研究三体问题的规律,但是——真香!很多很多年过去了,人们就是无法找到一个(或者一组)公式,能够描述任意一个三体系统的运动(这样的公式被成为通解)。但是坚忍不拔的人类没有被打倒,反而研究越发起劲。直到德国数学家HeinrichBruns指出:

 

通解是不可能有通解的,三体问题只有数值解。

 

只有数值解意味着啥?意味着没有套套公式就能解题的这种好事了,你只能一个一个一个一个……地去求解不同的三体系统,真是件累人的活……

 

我们不妨把(1)和(2)分别叫做三体第一定理和三体第二定理,显得高端一点。把三体第一定理和第二定理相结合,我们发现了一个更累人的事实:要找到具有规律周期的三体系统(也就是找周期解)真是无比困难,就算找到了一个,初始条件稍微变一点点都可能离周期系统一去二三里烟村四五家了,所以只能一个一个试了,但是一个一个试过去啥时候能到头啊……

 

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现在你应该明白三体人为什么总是找不到三个“太阳”的运行规律了。三体人要研究“太阳”的运动规律,就得测量它们运行的数据。但是测量总是会有误差,根据三体第一定理,测量的误差给求解带来了巨大的偏差,所以三体人研究出来的规律总是不符合实际。自己测不出来也不能抄别的三体系统的答案,因为三体人有原则根据三体第二定理,没有通式可以给你套。所以不是刘慈欣大佬写错了,而是三体问题本性使然,导致即使面对的是半人马座α星这样一个稳定的三体系统,三体人都无法测出它的运行规律。

 

 

三体问题的最新进展

 

虽然求解三体问题是如此艰辛,人类科学家们很快就重新抖擞精神,投入到寻找三体问题周期解的伟大事业中去了。

 

2013年,塞尔维亚科学家利用计算机,获得了13个新的周期解家族,并将成果发表在《物理评论快报》(PRL)上,Science也为此专门撰写了一篇评论,大力称赞了这一成果。

 

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Science的评论

 

当然,咱们中国科学家也不容小觑,最近,上海交通大学廖世俊研究小组发现了695个等质量周期解家族和1349个非等质量周期解家族!这一成果可谓激动人心。

 

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廖世俊研究小组的一些成果

 

 

写在最后

 

你可能有些疑惑,为什么要研究三体问题的周期解?或者说,为什么要研究三体问题的解?在不存在通解的情况下,我们所能找到的无非都是它的特解,而特解既不能用来概括所有的三体系统,也不能吃。我们为什么还要花费大量精力去研究它?

 

确实,宇宙众多的三体系统,我们不能以一解蔽之,但我们可以一个一个地去探寻。每当我们发现一类特解,就相当于填补了一类三体问题的空白。这就像拼图,今天我找到的只是一块碎片,由于每块碎片都不一样,我不能靠复制这块碎片的方法完成拼图,但一块一块地寻找碎片,所有的碎片汇聚起来,便能拼出完整的图画。而在这样对未知的不懈探索中,无论结果如何,人类的精神已然不朽。

 

 

参考资料:

PhilosophiaeNaturalisPrincipiaMathematica,IsaacNewton

PhysicistsDiscoveraWhopping13NewSolutionstoThree-BodyProblem,JonCartwright,https://www.sciencemag.org/news/2013/03/physicists-discover-whopping-13-new-solutions-three-body-problem

PeriodicorbitsforNewtonianplanarthree-bodyproblem,XiaomingLIandShijunLIAO,http://numericaltank.sjtu.edu.cn/three-body/three-body.htm

 

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