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牛顿350年前留下三体难题,如今被科学家破解

36氪的朋友们 · 2019-12-19
三体问题的新进展。

编者按:本文来自微信公众号“iFeng科技”(ID:ifeng_tech),作者 霜叶,36氪经授权发布。

近350年前,牛顿发现了描述物体运动的三大定律,其中第三定律是“作用力与反作用力大小相等,方向相反”。

牛顿运动定律为我们理解太阳系的运行,以及物体与作用于物体的力之间的关系奠定了基础。牛顿运动定律的重要意义自不必说,但也制造了一个近350年来一直困扰科学家的难题:三体问题。

在利用运动定律描述地球围绕太阳运行的问题后,牛顿断定,它们也能帮助人们理解考虑第三个天体——例如月球——加入后地球围绕太阳运行的问题。但实际上,解三体方程的难度要大得多。

牛顿350年前留下三体难题,如今被科学家破解

利用普通的数学知识计算三体系统的运动状态是不可能的

当2(或3个)不同大小和距离的天体围绕一个中心点运行时,利用牛顿运动定律计算它们的运动状态可谓轻而易举。但是,如果3个天体尺寸以及与中心点的距离接近时,它们之间的相互作用力会发生变化,系统会陷入混乱,利用普通的数学知识计算各天体的运动状态是不可能的。

由以色列希伯来大学拉卡物理学院天体物理学家尼古拉斯·斯通(Nicholas Stone)领衔的一个国际研究团队,在解决这一难题方面迈出了一大步。他们的研究论文发表在最新一期《自然》杂志上。

牛顿350年前留下三体难题,如今被科学家破解

领衔破解三体系统难题的以色列希伯来大学拉卡物理学院天体物理学家尼古拉斯·斯通

斯通和智利康塞普希翁大学(La Universidad de Concepción)充分利用了过去2个世纪的相关研究成果,特别是“不稳定的三体系统最终会淘汰一个物体,形成稳定的二元系统”。这种二元关系是他们研究的重点。

研究团队没有将系统的混乱状态看作是障碍,他们利用传统的数学运算预测行星的运动。斯通说,“当我们将我们的预测与它们实际运动状态的计算机模型进行比较时,我们发现我们的预测精度相当高。”

尽管研究团队强调他们的研究成果并非是三体问题精确的解决方案,他们的成果还是非常有用的,使得物理学家能对复杂的物理过程进行可视化处理。

斯通解释说,“以三个黑洞围绕另外一个黑洞运行为例,它们的轨道将是不稳定的——即使是在一个黑洞‘被踢出去时’也是如此,我们对留下的两个黑洞之间的关系仍然非常感兴趣”。对于我们理解不稳定三体系统中幸存者在新形成的稳定系统中的行为,预测新轨道的能力至关重要。

参考资料:

https://phys.org/news/2019-12-newton-elusive-three-body-problem.html

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