三体问题:物理学中最困难的难题之一是如何运作的

几个世纪以来,数学家一直在尝试使用所有可能的方法来解决无法解决的问题。

来源:安全实验室新闻频道

几个世纪以来,数学家一直在尝试使用所有可能的方法来解决无法解决的问题。

在火箭发射、我们最近的恒星邻居半人马座阿尔法星以及 Netflix 剧集的背后,隐藏着一个共同的谜团:“三体问题”。这个物理谜题是什么?

Netflix “三体问题”

三体问题描述了一个包含三个物体的系统,这三个物体通过引力相互吸引。尽管它看起来很简单,但却是物理学中最困难的难题之一——正如佐治亚州立大学的行星科学家比利·夸尔斯所说,“牛顿第一次真正头痛”。

比利·夸尔斯

在二体系统(例如,一颗行星及其恒星)中,计算物体的运动相对简单:在大多数情况下,它们会围绕一个共同的质心旋转,并周期性地返回到它们的起点。但是添加第三个天体,例如第二颗恒星,就完全改变了情况。第三个物体吸引了前两个物体,使它们脱离了可预测的轨迹。

三个物体的运动取决于它们的初始位置、速度和质量。即使其中一个变量发生很小的变化,也可能导致完全不同的情况。 “这就像沿着山脊行走一样,走错一步就会向左或向右跌倒,”弗吉尼亚理工大学应用数学专家肖恩·罗斯 (Shane Ross) 解释道。

Ross 认为,由于变量较多,不可能使用数学方程完全解析地解决三体问题。然而,对于一些理想化的情况,仍然找到了精确的解决方案。例如,如果您为三个质量完全相同的物体设置非常具体的初始运动条件,它们的轨迹将描述一个规则的数字 8。但当我们处理复杂的引力影响作用的真实混沌空间系统时,这种有序的情况只是例外,而不是常态。