你真的讀懂“三體”了嗎?執劍人歐拉有特解

2019年1月3日,中國「嫦娥四號」探測器成功在月球馮.卡門環形山著陸,這是人類探測器首次造訪月球背面。

就連SpaceX的CEO埃隆·馬斯克和美國NASA局長布里登斯廷都在第一時間發來賀電。

中文世界又普大喜奔了。

世界上最喜歡月亮的,一定是說中文的。月亮為古往今來的文人墨客貢獻了多少詩詞名篇啊。在傳統文化中,月亮伴隨著神話飄然而至,在神話和詩詞的國度中,“中國月亮”不一定是最圓,但一定是最美的。

當西方文化熱戀太陽神阿波羅時,我們偏不,全世界就我們以月亮設定曆法。用陰曆計時使中國歷史走過了輝煌的農業文明時代,中華文明得以生生不息。

霍如羿射九日落,矯如群帝驂龍翔;嫦娥應悔偷靈藥,碧海青天夜夜心。中國歷史上最著名的一對夫妻,一個射日,另一個卻奔月。射日的后羿不管如何英雄,終究與草木同朽了,而奔月的嫦娥,不管悔不悔,直到今天依然還是最美的化身。


你真的讀懂“三體”了嗎?執劍人歐拉有特解


“中國月亮”在中國文人心中永遠是月出皎兮,佼人僚兮!

但是“外國月亮”,在老外眼中,卻是最頭疼的問題,據說牛人的祖師爺 -- 牛頓給他什麼問題都無法令他頭痛,除了思考月亮。

牛頓在劃時代鉅著《自熱哲學的數學原理》用數學方法嚴格地證明了開普勒三大定律,從那以後,二體問題(就是隻考慮太陽和地球)就再也不是問題了。但是月亮加入以後,三體問題就讓牛頓頭疼了,不止牛頓,在他以後,月亮問題成為折磨最多天才的三體問題之一。

(可見二人世界是最簡單的,增加一個小三如美麗的月亮,問題的複雜度一下子增加了上千萬倍)

三體問題是天體力學中的基本力學模型,它是指三個質量、初始位置和初始速度都是任意的可視為質點的天體,在相互之間萬有引力的作用下的運動規律問題。三體問題最簡單的一個例子就是太陽系中太陽、地球和月球的運動。

2018年度克拉克想象力服務社會獎得主,科幻作家劉慈欣的《三體》就是以三體問題為基礎,書中的邪惡外星人,科技水平遠高於地球人的三體人,從古至今都在試圖解決三體問題,而後來這在三體192號文明中被證明無解。


你真的讀懂“三體”了嗎?執劍人歐拉有特解


(你真的讀懂“三體”了嗎?)

在地球文明中,牛頓是最早提出三體問題的, 其後拉格朗日、歐拉、龐加萊等天才都紛紛投身其中。

1900年,數學武林盟主希爾伯特在他著名的23問中,舉了兩個典型例子,一個是費爾馬猜想,另一個就是三體問題。最終,費爾馬猜想在1994年被美國的懷爾斯解決,而三體問題至今還未解。三體問題有多重要,就有多難解。

就是天才如牛頓,窮極一生也沒有解決三體問題。後來他不得不放棄了,他認為我們的太陽、地球和月亮的系統是不穩定的,就像是三個調皮的小孩,即使彼此之間曾有線連著,最後也會不聽話地散開跑遠。

但是我們的歐拉不信,他在牛頓的基礎上,想解決這個問題。結果,面對這個最美的月亮,他花了數十年時光,最後,無奈地宣佈,自己這四十年的努力都失敗了,月亮沒有給歐拉遠帶來任何詩情畫意。

其實不只是牛頓,歐拉,包括後來的拉格朗日、拉普拉斯、泊松、雅可比、龐加萊等等超級大牛,都偏偏不信邪,飛蛾撲火般地為這個問題窮盡了一生精力,最終都只好承認對於N>3的N體問題,根本無法求出解析解。

而三體問題是多體問題當N=3時候的最簡單特例,到今天,數學界終於承認,三體問題不能精確求解,即無法預測所有三體問題的數學情景,只有幾種特殊情況已研究。

雖然前方是一片黑暗,連數學天才們都已皓首窮經苦求無果,但是探索的道路是一片光明的。

生活就像一盒巧克力,你永遠不知道你會得到什麼。晚年的歐拉也沒有想到他會在三體問題上得出了一個相當意外的傑出成果,他終於發現了三體運動的3個特殊解,當時他已經60歲了。在這3個解之中,3個質點始終共線且繞質心做橢圓運動。這三個點被稱為“歐拉特解”。

歐拉求解過程中,做了個絕妙處理,創立了旋轉座標系,這是三體問題上的一個重要里程碑。

限制性三體問題一共有五個特解,歐拉求出3個,拉格朗日推導證明剩下兩個。後世稱之為“拉格朗日點”,其實應該稱為“歐拉-拉格朗日點”才更名副其實。


你真的讀懂“三體”了嗎?執劍人歐拉有特解


要知道在“三體問題”被提出的三百年內,僅僅有三種類型的解被發現。

直到2013年,才有了重大突破。兩個塞爾維亞物理學家採用計算機數值模擬發現了13類新特解。

拉格朗日點在天文和航天學上有著很重要的應用,1906年,一顆活潑好動的小行星“阿喀琉斯(Achilles)”出現在人們視線裡,睿智的天文學家們馬上聯想拉格朗日點,在尋尋覓覓以後,在木星軌道上發現了希臘(Greek)小行星群和特洛伊(Trojan)小行星群,它們與木星、太陽正好處於等邊三角形頂點處,這個正是數學上證明求解出來的兩個拉格朗日點。


你真的讀懂“三體”了嗎?執劍人歐拉有特解


到2007年9月,已經確認的特洛伊小行星有2239顆,這些小行星也被統稱為特洛伊群(或特羅央群)小行星。對於數學,這是一個驚人優美地驗證,也是對歐拉和拉格朗日最好的讚賞。

在這四十多年中,宣稱自己失敗的歐拉其實做出了驚人的貢獻,在三體問題上的探索求解,它們可能比答案更為重要。

在歐拉持續數十年的工作之後,他完整建立了月球理論。

歐拉是月球運動理論的實際創立者。

失敗的歐拉也讓自己成為月球動力學創始人,偉大的天體力學家。

(朱八八注:三體運動已經是對天體運動的極端簡化了,然而即便如此,龐加萊發現三體運動經常是混沌的,只要有一點偏差,隨著時間推移,就會失之毫釐謬之千里,完全無法預測最終狀態為何,這就是混沌理論,蝴蝶效應。所以對於星辰大海,浩瀚宇宙,我們無法不敬畏)

所有人的老師-歐拉系列文章:


分享到:


相關文章: