《三体》中,三体人为什么不能预测三体运动?

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艾伯史密斯

2019年11月06日

答:三体问题是物理学和数学中的难题,现在我们知道三体问题是无法求精确解的,三体人所在的三体星系有三颗恒星,这三颗恒星相互绕行,他们无法预测三颗恒星的未来。


在大刘的《三体》当中,描述了三体人经历100多次的文明毁灭后侵略地球,原因是三体人所在的三体星系环境非常恶劣,每过一段时间星球上要么出现极寒,要么出现极热,然后使得整个文明毁灭。

三体人的最后一次文明,终于可以实现星际航行,但是他们也无法解决三体问题;三体问题指的是三个质量、初始位置和速度任意的质点天体,在万有引力作用下的运动规律。


十七世纪牛顿创立万有引力定律,二十世纪爱因斯坦建立广义相对论,理论上天体的运动受物理规律的限制,比如我们可以准确预言某颗彗星下次出现的时间,也可以预言某地下一次出现日全食的时间。

但是上面的情况,均等效于二体运动,也就是只有两个天体的运动规律,我们很容易建立方程然后求出解;一旦我们再加入一个天体变为三体运动,那么情况就复杂了,科学家发现三体问题不再像二体问题那样具有固定的解。

在1885年,瑞典国王设立“N体问题奖”,法国著名科学家庞加莱,利用超高的数学技巧,证明了三体问题没有通解,他因此获奖。


这里说没有通解,指的是数学上无法描述三体问题未来的发展情况,但是三体严格遵循引力定律,所以我们可以利用计算机去逼近三体的未来解。实际当中三体问题更加复杂,因为初始值还会影响三体问题的未来,哪怕是初始值的微小变动,也有可能使未来的参数发生巨大变化。

三体人的星系有三颗恒星,属于典型的三体问题,他们无法准确预言恒星未来的情况,三体星球是其中一颗恒星周围的行星,在这颗行星上就如地狱一般,有可能一段时间内适合生命演化,一段时间会出现极寒或者极热,甚至是一头扎入某颗恒星当中。


三体问题无解,但是对于一些初始条件特殊的三体问题,甚至是N体问题是有可能存在限制性解的,比如最简单的就是三颗质量相等的恒星,在引力作用下围绕同一个点做圆周运动,但是这种理想情况在现实中几乎不可能出现。

在三体问题提出的300多年里,类似的限制性解科学家一度只发现三组,然后在2013年,科学家利用特殊的方法,又发现了13组限制性解。

也就是说目前人类只知道16组限制性解,但这些解都是不稳定的,外界稍有扰动就会破坏限制性解。


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深度科幻

2019年02月16日

要回答这个问题之前,首先普及一下什么是“三体运动”?

三体运动:又被称为三体问题,是天体力学中的基本力学模型。它指三个质量、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,在数学上无法精确求解。三体问题最早由上世纪最伟大科学家之一希尔伯特提出,直至今天无解。

小说中的三体概念:在《三体》小说创作时,刘慈欣巧妙借鉴了“三体”这一概念,将其与半人马座a星的三颗恒星联系起来。在小说中,三体文明由于有三颗太阳,引力相互叠加相互影响,造成各自的运行完全没有规律,不断的给三体文明造成毁灭的灾难。进化了196次的三体文明对此完全束手无策。

三体人为什么不能预测“三体”运动?不是不想预测,而是天天都在预测,日日都在预测,用各种方法预测,付出了196次惨烈的代价,但以三体人的科技实在是预测不了。

在《三体》的原著中,刘慈欣对三体文明的历史说的极其模糊。ETO降临派在三体文明的帮助下制作的《三体游戏》,虽然不是真实的三体历史,但大概的方向和节点应该是一致的,从中我们可以大致看出三体人为预测三颗太阳所付出的艰辛和努力。为了方便理解,现整理如下:

第1次预测,137次文明之前——由三体类似人类伏羲的先知进行。方法:认为太阳是神,需要通过巨摆进行催眠;特点:原始图腾崇拜;结果:失败!

第2次预测,137次文明——由三体类似人类周文王的先知进行。方法:原始星象、阴阳占卜;特点:原始巫术;结果:失败!

第3次预测,140次文明——由三体类似人类的圣人孔子进行。方法:宇宙礼法;特点:教化;结果:失败!

第4次预测,141次文明——由三体类似人类的原始工程科学家墨子进行。方法:宇宙模型;特点:机械模拟;结果:失败!

第5次预测,183次文明——由三体类似人类文艺复兴的科学家哥白尼进行。方法:天文观测、计算;特点:古典科学;结果:失败,但第一次发现有三颗太阳!

第6次预测,184次文明——由三体类似约翰·冯·诺依曼(经典计算机发明者)牛顿的科学家进行。方法:人列计算机;特点:经典二进制计算机;结果:失败!

第7次预测,191次文明——三体科学家计算。方法:科学观测+计算;特点:现代科学;结果:取得飞星不动预警但最终失败!

第8次预测,192次文明——三体类似人类爱因斯坦的科学巨人。方法:科学观测+计算;特点:现代科学;结果:失败,但证明三体问题无解,三体唯一的希望就是飞向宇宙!

从这8次重要的预测节点可以看出,科技远超地球人类三体文明为三体问题付出了多少,而且这还仅仅是三体196次文明所做努力的沧海一粟。为什么三体人会如此的冷酷,由如此现实,一定要侵略地球,因为付出的太多了!

延伸问题:三体运动是否在现实中无解?是的!三体运动在小说中是否无解?不是,用光粒摧毁三体太阳的清理者用一艘飞船的资源,在一瞬间就求了解,直接用光速微粒毁灭了三体世界。

附注:至于为什么光粒摧毁三体太阳要一定求解三体问题,因与主题无关暂不做分析,请看小编之前的分析。

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乐天派橙子

2017年12月27日

三体是能够预测的,至少能准确预测几年内的情况,但他们知道三体行星的最终命运将是坠入太阳,所以只能逃亡。

神级文明能预测整个银河系的运动,更不要说三体了,但是到了那种级别,无所谓有没有行星居住,整个银河系都将是后花园

朽木木雕

2018年12月24日

从小说《三体》中关于“三体”描述说起,数学家魏成避世在寺院中,在方丈(也是个高人)的启示下寻找“空”,开始魏成在意识中创造了第一个“空”是无际的太空,其中什么都没有,很快魏成发现这空无一物的宇宙不能使自己感到宁静。于是在这无限的空间中创造了一个球体,不大的、有质量的球体(单体问题),因为只有一个球体,没有其它任何东西,宇宙中没有任何东西作用于它,它也没有任何东西可作用,它悬在那里,没有任何的运动,永远不会有丝毫变化。于是魏成继续创造了第二个球(双体问题),但情况并没有好多少,如果没有初始运动,两个球会靠在一起,然后一动不动,如果有初始运动且不相撞,它们就会在各自引力作用下相互围绕对方旋转,不管怎样初始化,那旋转最后都会固定下来,永远不变。魏成引入了第三个球体(三体问题),这个三球宇宙一下子变得复杂起来,三个被赋予初始运动的球体在太空中进行着复杂的、似乎永不重复的运动。这就是小说中关于三体问题的描述,当然三体问题并非小说原创。

单体、双体问题都是比较简单的,三体问题的难度骤然上升,而三体问题是解决N(N>2)体问题的基础。三体问题是天体力学中的基本力学模型,是指三个质量、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。这个问题研究时间可以追溯到17世纪,牛顿万有引力理论提出后,准确预测了两个互相吸引的天体(比如太阳和地球)的运动轨道基本是椭圆形,如果有3个天体呢,天才牛顿没有给出答案,之后的200多年,无数科学家为解决这个问题绞尽脑汁,直到庞加莱的出现,三体问题得到初步解决,庞加莱通过证明发现三体问题没有解析解,即使微小的扰动,也会在之后的运动中无限放大,也就是说三体系统极度敏感,这个敏感性怎么理解呢,举个例子天气预报系统,如果把前天和昨天的天气数据作为初始参数分别进行计算,即使昨天的数据是按照前天数据作为初始参数计算的,经过一段较长时间的运算,如果不进行人工修正,那么数据差距将会越来越大,甚至完全不靠谱,一个可能计算出台风,另一个可能是风和日丽。

“三体问题”难在哪?一般三体问题的运动方程为18阶方程,必须得到18个积分才能得到完全解,然而目前只能得到10个初积分。简单可以理解为,描述三个物体的运动总共需要18个量,只能列出10个方程。

三体问题是解决N体问题的基础,既然三体系统极度敏感,而现实中对三体问题是要必须面对的问题,如太阳系中各行星的运动。在解决三体问题的过程中,很多人转向了“限制性三体问题”的研究,就是三个天体中,其中一个的质量很小,那么这个质量很小的天体对其他两个天体的影响很小,由此造成的误差在可接受和控制的范围之内,太阳系内各天体的运动问题就是限制性的多体问题,太阳的质量占整个太阳系的99.86%,在计算某个行星的运动时可以采用限制性三体问题的思路。

最近中国的探月工程在嫦娥4号准备在月球背面着陆,为解决通信问题,中国发射了鹊桥中继卫星。鹊桥卫星、地球、月球就构成了一个三体问题,然则鹊桥卫星的质量相对于地球和月球相比差距实在是太大,这就是一个“限制性三体问题”的应用。鹊桥中继星运行在地月引力平衡点L2点(有L2,自然有L1,地月引力平衡点有5个),处于此位置能够保证卫星位置的稳定。

另外,研究数学也是发家致富的一条途径,美国克雷数学研究所有7个数学悬赏问题,每一个问题奖金100万美金,其中的庞加莱猜想已经被解决并成功领取奖金,前一段时间沸沸扬扬的“黎曼假设”的证明最后不了了之,中国的数学天才们请继续努力。

美剧爱看

2018年03月24日

这涉及到"混沌"了.现在的数学水平还达不到能够给出此类问题明确的解.多体问题很可能会伴随我们文明始终的.从另外一个角度来讲,多体问题的解析意味着预测命运了

然后就是测量的误差导致结果的不精确,三体运动随时间流失无限放大误差,其次这个东西用一个关系式表达的话很难,实际操作难度又是不可估量的,我的理解可能有偏差!无解的原因是因为任何微小的扰动都会导致在一段时间后都会有极大的误差。而观测的精度总是有限的!!