“三体”问题新突破 物理学家找到13族特解

这是艺术家从“三星系统”中的一颗行星的卫星上描绘出来的。这个恒星系统处于非常不稳定的混沌运动状态。牛顿的引力理论正确地预测了两个相互吸引的天体(如太阳和地球)的运动规律——它们的轨道基本上是椭圆形的。但是如果有三个天体(如太阳、地球和月球)相互作用，它们的轨道定律是什么？这就是著名的“三体问题”。最近，两位科学家一口气发现了13个新的周期特殊解，震惊了科学界。“三体问题”可以追溯到17世纪80年代，当时英国物理学家和数学家艾萨克·牛顿正确地预测了两个相互吸引的天体(如太阳和地球)的运动规律——它们的轨道基本上是椭圆形的。但是如果有三个天体，比如太阳、地球和月球，它们的轨道是什么？牛顿未能给出普遍的特殊解。简而言之，“三体问题”是讨论质量、初始位置和初始速度任意的三个天体在万有引力作用下的运动规律。三体问题中两个周期特殊解的例子

在接下来的200年里，科学家们绞尽脑汁来解决这个问题。直到1887年，德国数学家和天文学家海因里希·布伦斯指出，找到三体的一般解注定是无用的，只有在特定条件下建立的特殊解才能存在。1889年，法国数学家和天体物理学家亨利·庞加莱将复杂的三体简化为所谓的“受限三体”。然而，他发现，即使对于简化的受限三体，解的形式在同宿轨道或异宿轨道附近也会非常复杂，因此对于给定的初始条件，当时间趋于无穷大时，几乎没有办法预测这个轨道的最终命运。这种轨道长期行为的不确定性就是我们现在所说的混沌。众所周知，三体的解通常是非周期性的。找到三体的周期特解并不容易——自从“三体问题”被证实以来的300多年里，只找到了三个周期特解。法国数学家和物理学家约瑟夫·拉格朗日和瑞士数学家和物理学家莱昂哈德·欧拉在18世纪得到了一些结果。20世纪70年代，美国数学家罗杰·布鲁克和法国天文学家米歇尔·赫恩在计算机的帮助下获得了更多的结果。1993年，美国数学家和物理学家克里斯·摩尔发现了一个奇怪的现象——特殊溶液中的三个天体的运动似乎在一个“8”形轨道上相互追逐。所有上述发现的特殊解可以归纳为以下三组:拉格朗日-欧拉、布鲁克-赫农和“8”族。拉格朗日-欧拉族的解相对简单，即三个天体以相等的间隔在圆形轨道上运动，就像旋转木马一样。布鲁克-赫农的解决方案更复杂，有两个天体穿过它，第三个天体绕着它运行。找到新的特殊解并不容易:三个天体在空间的分布可以有无限多种情况，以及适当的初始条件——起点、速度等。以便使系统在一段时间的运动(即周期性运动)后返回到初始状态。现在，科学家们有了新的突破。塞尔维亚物理学家米洛万·苏瓦科夫和迪米特拉·什诺维奇发现了一种新的13民族特殊解决方案。他们在著名的学术期刊《物理评论快报》上发表了一篇论文，描述了他们的搜索方法:使用计算机模拟，从一个已知的特殊解开始，然后不断对其初始条件进行微小的调整，直到发现一个新的运动模式。这13个家庭的特殊解决方案非常复杂。在抽象的空间“形状球”里，它们就像一个松散的线球。三体特殊解决方案家庭的数量已经扩大到16个家庭。科学界对这一新发现感到欢欣鼓舞。研究三体多年的美国科学家罗伯特·范德·贝说:“我非常喜欢这项成就。”另一位美国科学家理查德·蒙哥马利说:“这些结果很棒，描述也很棒。”中国科学家周海中说，他们的成就加深了人们对天体运动的认识，促进了天体力学和数学物理的进一步发展，尤其有助于人们研究空间火箭的轨道和双星的演化。