作者:李晨阳 张双虎 黄辛 来源:科学网微信公号 发布时间:2022/7/20 20:54:05
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中国科学家意外走进“三体问题”,结果引发周期解数量大爆发

 

编者按

作家刘慈欣创作的科幻小说《三体》,讲述了地球人与“三体人”之间长达几百年的“星际大战”。

而“三体人”之所以不远4光年来侵略地球,是因为他们生存的环境过于动荡:天空中有三个太阳,做着毫无规律、不可预测的“三体运动”。

三个太阳全部远离,三体世界就迎来漫长的黑暗和寒冬;三个太阳一起逼近,三体世界就陷入一片火海。适宜文明发展的短暂窗口可遇不可求。

这样棘手的“三体问题”,在我们的地球上,也有一批科学家在孜孜不倦地攻坚探索。

而有个中国科学家团队,推动“三体问题”研究进入了一个新时代。

李晓明(左);廖世俊(中);杨宇(右)

庞加莱说,人类认识“三体问题”的唯一窗口,是其周期解。

理论上,“三体问题”周期解有无穷多种。但在“三体问题”提出后的300多年间,人类只发现了3族周期解。

2013年,两位外国科学家凭借当时已经非常先进的计算机,找到了11族周期解,引起轰动。

在寻找“三体问题”周期解的进度条上,人类一直这样“龟速”前进着。

直到2017年,上海交通大学教授廖世俊团队出现在这个赛道上,第一批就提出了695族周期解。

之后他们不断增加周期解数量:2018年,1349族周期解;2021年,135445族周期解。

在2022年发表在New Astronomy上的最新论文中,廖世俊和自己的两名学生——在读博士生杨宇、暨南大学副教授李晓明一起,提出了一个获得“三体问题”周期解的路线图。按照这个路线图,人类迎来了能够发现海量三体周期解的时代。

从两位数到10万+

1687年,“近代物理学之父”牛顿第一次提出“三体问题”。

其后300余年,“三体问题”的探究史串联起许多如雷贯耳的名字:欧拉、拉格朗日、庞加莱、希尔伯特……

由于庞加莱等科学家证实,不存在能够预测三体运动所有情况的“通用解”,因此很多科学家的研究重心放在了寻找三体运动的“周期解”上。

特定状态下,组成系统的3个“天体”在一段时间后都能回到最初的位置,形成相互交织的闭环回路。描述这个周期轨道的解,就叫做周期解。

“人类得到的第一族‘三体问题’周期解,是在没有计算机的时代,由欧拉和拉格朗日手推出来的。限制性三体问题(一个天体质量远小于其他两个天体质量)周期解存在5个点,就是后来天文学里大名鼎鼎的‘拉格朗日点’。

“这应该也是唯一一组手推解,非常漂亮。而在这之后的绝大多数周期解,都不得不依赖计算机技术的进步。”

太阳系拉格朗日点

面对《中国科学报》的采访,廖世俊饶有兴致地讲述着大科学家们探究“三体问题”的传奇历程。

而他最初并没想到,自己也会加入这场漫长的学术接力。

2009年,廖世俊提出了一种新的数值模拟方法——精准数值模拟(Clean Numerical Simulation,CNS),一个求解混沌动力系统的策略。

海浪卷起的涡流,屋顶飘出的炊烟,飞机两翼拖曳的白雾,亚马孙雨林一只蝴蝶引发的北美龙卷风……这些都是我们熟知的混沌现象,不确定性、不可重复、不可预测是它们的特征。

在求解这类混沌问题的过程中,CNS能将数值误差降到任意小,这也是它相比传统数值模拟方法的最大优点。

“三体问题”是人类研究的第一个混沌系统,廖世俊很自然地想知道,CNS能否先在三体系统上发现一些什么。“我始终坚信,一个真正全新的方法,总会带来一些全新的东西。”

从2017年至今,廖世俊团队利用CNS把“三体问题”周期解的数量提升了几个数量级,从两位数到10万+。

爆发的不仅仅是数量,还有对不同条件和状况的驾驭能力。

第一批695族周期解,对应的是等质量的3个“天体”;第二批1349族周期解,限定条件是其中二个“天体”质量相等;第三批获得的135445族周期解,已经包含任意不等质量的三个“天体”了。

5年前,普林斯顿大学数学家罗伯特·范德贝(Robert Vanderbei)点评过廖世俊团队获得的三个等质量“天体”的周期解。

他欣赏着那些流畅繁复的模拟轨道,形容这是“something beautiful”。但因为三个“天体”质量相等这个条件太过理想,现实中难以存在,他坦言这“跟天文学还扯不上关系”。

廖世俊团队获得的三个等质量“天体”周期解

而今天,随着研究方法的逐步完善,他们已经可以获得任意质量三体问题的周期轨道。

廖世俊期待:或许有朝一日,天文学家会在茫茫苍穹中发现一组天体,正以他们模拟出的周期轨道运行着。

“那种感觉一定非常奇妙。”他说。

“我非常喜欢科幻小说《三体》”

因为刘慈欣所著科幻小说《三体》的巨大热度,“三体问题”也成为大众热点话题。

“我自己非常喜欢《三体》这部小说。”廖世俊说。

小说中,“三体人”居住的行星在一个由3颗恒星组成的三体系统中运行。因为3颗恒星的运行毫无规律,天空有时同时出现二个或者三个太阳,有时一个太阳也没有。在混沌的自然环境中,“三体生命”不断休眠和复苏,“三体文明”不断毁灭与重生。

当被问到他的研究成果是否有助于“三体人”应对生存困境时,廖世俊答道:“非常遗憾,不会。”

“我想更大的可能是,这样一个混沌的星系从一开始就不会孕育生命和文明。尽管如此,我还是很为作者的想象力惊叹。”尤其让他印象深刻的,是三体人在恶劣环境到来时,通过脱水休眠来度过难关的“神设定”。

“科研人员也非常需要这种强大的想象力。你要敢想别人不敢想的东西,才有可能做出引领性的工作。”廖世俊说。

期待建立三体问题周期轨道数据库

廖世俊一再强调,提出获得“三体问题”周期解的路线图,虽然为探索“三体问题”的奥秘打开了一扇门,但还有许多更深入的研究有待开展。

“我们目前的工作仅仅是开始。‘三体问题’的内涵,绝不仅仅在于寻找更多的周期解。”他说,“我们处于大数据时代。希望科学家们在拥有这样大量的数据后,能够发现一些很漂亮的内在规律。”

在为获得“三体问题”海量周期解铺平道路后,廖世俊最想做的事,是建立一个“三体问题周期轨道数据库”,向全世界三体问题研究者和天文学家开放。

“科学家就是这样,提出一个新的想法,做一些别人不曾做的事情,然后有人看到你的研究,加入进来做更多的工作,解决更难的问题……这个过程中得到的快乐和满足感,是其他任何事情难以比拟的。”廖世俊说。

至于他人的评价、社会的关注,“不是不重要,但这些东西都是短暂的,不可能给你那么持久的激励。能激发科研人员长久创新激情的,永远是对这个世界的好奇心”。

相关论文:

https://doi.org/10.1016/j.newast.2022.101850

 
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