【新要闻】“三体问题”为何无解

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【新要闻】“三体问题”为何无解

时间 :2023-02-02 08:18:08 来源 : 西西科普

(资料图)

刘慈欣的《三体》，其中”三体“的说法并不是一个新概念，”三体问题“其实早在几百年前，就由牛顿提出来了。大刘只是把“三体问题”形象化，放到遥远的外太空，臆造出一个“三体文明”。事实上，在太阳系范围内，我们一样可以讨论“三体问题”。

英国天体物理学家约翰·格里宾的《奇观》一书中说：

我们能够用牛顿定律精确地算出两个天体在引力作用下互相环绕的轨迹，但是一旦涉及三个或更多的引力天体，牛顿定律便无法精确求解。我们可以忽略太阳系中的其他天体，单独计算月球绕地球运行的轨迹，或者地球绕太阳运行的轨迹，但是我们无法计算出日、地、月三个天体在相互引力作用下的运动轨迹，更不用说将更多行星乃至整个宇宙放进来。原则上，这是不可能做到的，不仅因为这道题对人类而言太难了，还因为相关的方程组“不可积”，或者说没有解析解。

这可能与我们日常的印象不同，因为现在的科学家已经可以预测日食、月食的时间，因此，大家普遍认为人类可以通过计算来预测出日、地、月的轨迹。

但我们看到的事实可能并非事实的全部。按照格里宾的解释，我们得出的只是近似值。通过假定地球不同，计算月球未来的运动轨迹，之后再忽略月球的引力，计算地球在太阳引力下未来的轨迹，接着计算月球在下一时间段的轨道运动，从而求出近似值。

而这个近似值之所以能做到比较准确，只是因为太阳的质量相比地球、月亮要大得多，假如日、月、地的质量差不多，就会很难求得较为精确的近似解，这意味着我们无法预知这个系统的未来状态。

在计算过程中，如果初始条件的微小差异对最终结果影响甚微，就可以认为这个系统是线性的。但现实中很多事情并非是线性的，格里宾引用了法国数学家庞加莱在《科学与方法》一书中的说法：

如果我们准确地知晓宇宙的自然规律和初始条件，我们就能准确地预测它未来的状态。事实是，即使我们勘破所有自然规律，也不可能“准确无误”地知道初始条件……初始条件的微小差异，很可能对最终的状态产生巨大的影响。差之毫厘，谬以千里，在这种条件下，未来的发展是不可预测的。

只要一个因素发生改变，整个系统就会发生巨大改变，产生千差万别的结果。

当三个质量近似的天体在一起时，引力的作用随着三个天体的运动，产生复杂变化，导致无数种结果，这正是刘慈欣在小说《三体》第一部里对“三体文明”的生存环境给出的设定。在小说里，汪淼等人苦苦寻求的答案和目前物理学得出的结论是一致的——此题没有解析解。

标签：初始条件

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