通过《三体》小说或电视剧,大家了解到三体是一个混沌的系统,它们有无数种可能的运动轨迹,而且稍微一个微小的扰动就会导致整个系统的巨大改变,不可预测,也就是一般说的“三体问题无解”。
三体问题是天体力学中的基本力学模型,指的是三个质量、初始位置和初始速度都是任意的可视为质点的天体,在相互之间万有引力的作用下的运动规律问题。最简单的一个例子就是太阳系中太阳、地球和月球的运动。
那这里就有问题了。太阳系中,不仅地球和月球,对整个太阳系来说,它的运动都是很稳定的,而且地球、月球的运行轨道也能够很好地计算出来,为什么说三体问题无解呢?
其实,三体问题无解,说的是它在数学上没有解析解。通俗的说,就是没有一个具体的公式来表示三体问题的通解。
遗憾的是,对于三体问题来说,人们能够列出三体轨迹的偏微分方程组,但却解不出这样的方程。
通过假定地球不动,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。这也是困扰三体文明的根本问题。
虽然找不出三体问题的通解,但在特殊条件下,一些特解是存在的。必须给定合适的初始条件,如位置、速度、质量等等,才能使系统在运动一段时间之后能够回到初始状态,即进行周期性的运动。
三体问题无解并不表示无法对它进行研究或者研究它毫无意义。相反,三体问题的研究能够促进数学、物理的发展,比如混沌理论,比如拉格朗日“平面限制性三体问题”条件下找到了5个特解,也就是著名的拉格朗日点。科学家对三体问题的研究能够加深人们对天体运动的了解,促进天体力学和数学物理更进一步发展。