天体的中三体问题.docVIP

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天体的中三体问题

天体中的三体问题 韩博伟谈 三体问题算是经典力学里面的天体力学的老难题了,从牛顿那个时候起就是物理学家和数学家的恶梦。 先说一下什么叫三体。用物理语言来说,在一个惯性参考系中有N个质点,求解这N个质点的运动方程就是N体问题。参考系是惯性参考系,也就是说不受系统外的力的作用,所有的作用力都来自于体系内的这N个质点之间。在天体力学里面,我们通常就只考虑万有引力。 用数学语言来说,经典力学的N体问题模型就是,在三维平直空间里有N个质点,每个质点的质量都已知而且不会变化。在初始时刻,所有质点的位置和速度都已知。每个质点都只受到来自其它质点的万有引力,引力大小由牛顿的同距离平方成反比的公式描述。要求解的就是,任意一个时刻,某个质点的位置。 N=2,就是二体问题。N=3,也就是我们要说的三体问题了。 N=2的情况,早在牛顿时候就已经基本解决了。学过中学物理后,大家都会知道,两个质点在一个平面上绕着共同质心作圆锥曲线运动,轨道可以是圆、椭圆、抛物线或者双曲线。 然而三体运动的情况就糟糕得多。攻克二体问题后,牛顿很自然地开始研究三体问题,结果也是十分自然的——头痛难忍。牛顿自述对付这种头痛的方法是:用布带用力缠紧脑袋,直至发晕为止—虽则这个办法治标不治本而且没多少创意,然而毕竟还是有效果的。 其实,三体运动已经是对物理实际简化得很厉害了。比如说对质点,自转啦、形状啦我们统统不用考虑。但是只要研究实际的地球运动,就已经比质点复杂得多。比如说,地球别说不是点,连球形都不是,粗略看来是个赤道上胖出来一圈的椭球体。于是,在月球引力下,地球的自转轴方向就不固定,北极星也不会永远是那一颗。而考虑潮汐作用时,地球都不能看成是“硬”的了,地球自转也因此越来越慢。 然而即使是极其简化了的三体问题,牛顿、拉格朗日、拉普拉斯、泊松、雅可比、庞加莱等等大师们为这个祭坛献上了无数脑汁也未能将它攻克。 当然,努力不会完全白费的,许多有效的近似方法被鼓捣了出来。对于太阳系,摄动理论就是非常有效的解决问题的近似方法。而对于地月系统,则可以先把地球和月球看作是二体系统,再考虑太阳引力的影响。“月亮绕着地球转,地球绕着太阳转”的理论计算已经作得非常精确,上下几千年的日食月食都能很好地预测。而对一颗受到行星引力干扰的彗星,人们也能算出一段时间内很精确的轨道,比如天文学家可以提前几年就预测出彗星撞木星。而且,太阳系的稳定性也在很大程度上得到了证明,比如说大行星的轨道变化大体上是周期性的,不会始终单向变化下去直到行星系统解体。 为了解三体问题,那就考虑再简化些吧。认为一个质点的质量非常小,从而它对其它两个质点的万有引力可以忽略。这样一来,三体问题就简化成了“限制性三体问题”。实际上,这个简化等于是先解一个二体问题,然后再加入一个质量很小的质点,再解这个质点在二体体系中的运动方程。 然而,即使这样也还是太复杂了。于是,再作简化,就得到了“平面限制性三体问题”,就是要求三个质点都在同一个平面上。然而,即使是对这样极度简化的模型,也还是没有解析通解,也就是得到一个普遍适用的公式是不可能的。 对“平面限制性三体问题”再作简化,认为两个大质点作圆周运动,就是“平面圆型限制性三体问题”。1772年,拉格朗日在这种限制条件下找到了5个特解,也就是著名的拉格朗日点。比如下面这张图上,木星和太阳连线上有L1,L2,L3三个拉格朗日点,而在木星轨道上则有L4,L5这两个点,和太阳以及木星构成等边三角形。L1,L2,L3是不稳定的,如果小质点离开这三个点,就会越跑越远。L4,L5则是稳定的。 本来,拉格朗日点多少显得有点象数学游戏,但是自然界证明,稳定解在太阳系里确实存在实例。对于木星来说,L4和L5上各有一群小行星,就是著名的特洛伊群和希腊群小行星。 ? 从数学方法来说,解2体问题的方法是解微分方程组,通过求积分的方式可以圆满解决,得到解析解。很自然的,物理学家和数学家们也用这种方法去对付三体问题。1772年,拉格朗日就已经把三体问题的18个方程简化成了只有6个。然而,进步到此为止了。19世纪末期的研究更是给了数学家们一连串打击。布伦斯(1887),庞加莱(1889)和潘勒斯(1898)年给出了一个比一个更严格的证明,堵死了求积分的许多途径。1941年西格尔干脆证明了代数积分法的死刑,宣布找到足够的代数积分是不可能的。当然,三体问题的数学研究不是除了失败外就一无所有,它还是带来了许多新发现,比如混沌理论就是从它的废墟中诞生的。 当然,我们还只是谈到了牛顿力学。如果考虑到广义相对论的修正,那就更糟糕了,连二体问题都只有近似解。而且,广义相对论的二体问题也不

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