蕴含18个积分的
超级运动方程
自从我8岁的表弟放了暑假。
天天问超模君
有什么好书推荐吗?
考虑到所有年龄的咸宜,它既有知识性又有趣。超模君觉得的书很适合她天赋异禀的8岁表妹。
说到《三体》,超模君回忆说,在第一部中,玩家遇到了很多波澜壮阔却又悲壮的场景。
(三体世界中,三颗飞星意味着三颗星都远离星球,会有严寒。)
(在三体世界中,三天齐射产生的高温足以蒸发星球表面的一切。)
当然,还有更恐怖的场景,比如:
(在三体世界中,三日连心是指三颗恒星和行星在同一条直线上,导致重力叠加。)
(在三体世界中,静止不动的飞星是最大的灾难,意味着行星飞向并落入恒星。)
(洛希极限:小天体靠近大天体时,会被大天体的引力撕裂,洛希极限就是它们之间距离的临界值。)
游戏进行到第192关时,玩家发现绞尽脑汁也解不出三颗星的运动规律,只好得出 《三体》 .的结论
其实不只是科幻。实际上,经过数百年科学家的摸索,三体也是一个通过模拟游戏,建立各种模型,以解析三体世界里三颗恒星的运行规律,。
关于三体,超模君还得从他的老熟人希尔伯特说起.
三体问题无解
1900年,希尔伯特在他著名的演讲中提出了23个数学难题,两个无解难题。,一个是著名的 什么是三体问题? ,一个是典型的数学案例:.
久而久之,费马猜想在二十多年前就被英国数学家怀尔斯证明了,三体也成为了数学大厦上的费马猜想。
N体问题的特例――三体问题。
经过长期的研究,科学家们得出结论,在另外两个天体的引力作用下,每个天体的运动方程都可以表示为一个挥之不去的乌云。。
很明显3*3*2=3*6*1=18,三体问题实际上是天体力学中的基本力学模型,探究三个质量、初始位置和初始速度都为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。的科学家绞尽脑汁也只能得到16分。三体仍然是一个未解之谜。
然而,任何困难都不能使我们的科学家轻易放弃。
3个二阶的常微分方程,或6个一阶的常微分方程。
对于庞大的三体,科学家们决定用至少要有18个积分,才能得到三体问题的完全解。而截至目前,来长期研究三体运动的宏观规律和全局性质。
并尝试代入数值计算 三体问题的数学推断 某天体的具体代数表达式如下:
根据万有引力定律和牛顿第二定律可以得出,在三体中,作用在其中一个质点Qi上的力为:
/img.php?k=欧拉葡萄酒,塞尔维亚的葡萄酒10.jpg">设 m 为质点的质量;r 为质点的位置矢量;rij 为两质点间的距离;Fij 为两质点间的作用力。于是,三体问题中Qi的运动微分方程可以写为:
上式在直角坐标轴中的投影式为:
所以,三体问题中的每个天体在数学中都可以被写成3个二阶常微分方程,共6阶,三个天体就是18阶。
因为已知积分不足以解决三体问题,所以科学家们的研究方向,就是如何去简化数学式了。
著名数学家布伦斯和庞加莱曾证明n体问题只有10个运动积分,即3个动量积分,3个关于质心运动的积分,3个动量矩积分和1个能量积分,而且它们都是代数式。
应用这10个积分可将三体问题的18阶方程降低到8阶,再用“消去时间法”降低到7阶,又用“消去节线法”降低到6阶。如为平面三体问题则可降为4阶。
不过,消除了运动积分和时间、结线、维度的三体问题,只能被称为“理想状态”下的三体问题。
若想要解决完整的三体问题,所有的积分和条件就都需要考虑进来了,“理想状态”下的三体问题,只是给完整的三体问题指了一条明路。
三体问题的研究成果
在三体问题被提出后的两百年间,几乎所有18、19世纪的著名数学家都尝试过去求解,但研究进展微乎其微,直到希尔伯特那次著名的演讲,才终于有了突破。
这次三体问题的突破,主要是发现了三体运动的三种特殊情况,在这三种特殊情况下,三体问题具有特解。
1.拉格朗日-欧拉族:三星成三角形,围绕三角形中心旋转;
2.布鲁克-赫农族:两颗星围绕第三颗星旋转;
3. 8字型族:三个等质量的物体在一条8字形轨道上运动。
但同样,这也属于“理想状态”下三体问题的范畴,为了更直观解决三体问题,后来的科学家们还提出了“限制性三体问题”:
在限制性三体问题的条件下,三体运动已经是对实际物理简化得很厉害了,比如说对质点,球体自转、形状这些因素统统不考虑。
然而无论怎么变化,牛顿、拉格朗日、拉普拉斯、泊松、雅可比、庞加莱等等大师们,为这个问题穷尽精力,也未能将它攻克。
科学发展到现在,三体问题的求解过程真的是一部令人心酸的简化史。
虽然三体问题没有被最终攻克,但科学家们在研究过程中,取得了非常有用的成果。
1772年,拉格朗日在“平面限制性三体问题”的条件下找到了五组特解,从而发现了沿用至今的“拉格朗日点”。
(地月拉格朗日点:L1、L2、L3、L4、L5)
当小天体位于两个大天体的拉格朗日点附近时,小天体可以基本保持静止,按照拉格朗日的推论,每一个双星系统共有五个拉格朗日点,其中只有两个是稳定的。
两个稳定点L4、L5与两个天体所在的点,构成一个等边三角形。五个拉格朗日点的计算公式如下:
正是因为拉格朗日点具有较好的稳定性,所以它的应用很是广泛,像NASA的月球空间站,就建立在地月的拉格朗日点。
而且,运用拉格朗日点来设计行星间的转移轨道,可以使宇宙探测器、飞船更加安全、平稳的在轨道上运行。
虽然三体问题仍未被完全解答,但是,科学家们一直保持着前进的脚步。
1993年,塞尔维亚物理学家米洛万舒瓦科夫和迪米特拉什诺维奇发现了三体运动方程中新的13组特解。
加上前面所说的3组特解,三体问题特解的族数一下扩充到了16组,这对人们研究太空火箭轨道和双星演化,都有很大的帮助。
时至今日,科学界对三体问题的研究,以及对其衍生出的应用的发掘,仍步履不停、滚滚向前。
三体问题无解析解
说了这么多,想必大家也已经达成了共识:三体问题真的无解。
三体问题之所以无解,除了前文说到的缺少积分之外,更重要的是:三体系统在空间中的分布可以有无穷多种情况,通常情况下是非周期性的。
冗长的宇宙时间还会通过蝴蝶效应,把初始的微小误差无限放大,产生所谓的“混沌现象”。
(与双星系统相比,三体系统的复杂程度可见一斑)
混沌现象其实普遍存在于我们的生活当中,比如端流问题、气象或地震预测、洋流跟踪、微观粒子运动、病毒扩散等等……
这类现象不能产生规律性的答案,无法用解析式表达出来,我们常说的“三体问题无解”,准确地来说其实就是无解析解。
最后,借用《三体》小说中数学家魏成的话:三体问题若想真正解决,是建立一种数学模型,使得在已知任何一个时间断面的初始运动矢量,都能够精确预测三体系统以后所有的运动状态。
所以说,想要在不远的未来解决三体问题的话,就要从现在开始,每天跟超模君一起,好好学数学……