在著名的混沌三体问题中发现规律的“岛”

Josiah02

当三个巨大的物体在太空中相遇时，它们会通过引力以不可预测的方式相互影响。简而言之：混乱。这是传统的理解。现在，哥本哈根大学的一名研究人员发现，这种相遇通常会避免混乱，而是遵循规律，其中一个物体会很快被驱逐出系统。这一新见解可能对我们理解引力波和宇宙的许多其他方面至关重要。
目前 Netflix 上最受欢迎的节目之一是科幻剧集《三体》。该剧改编自刘慈欣的中国小说系列，涉及各种人物、时代甚至外星访客。但其核心前提涉及一个恒星系统，其中三个恒星相互吸引。
自从“引力之父”艾萨克·牛顿首次描述这种系统以来，这种由三个物体相互影响引力的系统就一直吸引着科学家。虽然两个物体在太空中相遇的相互作用是可以预测的，但第三个大质量物体的加入使得三重相遇不仅复杂，而且混乱。
“三体问题是数学和理论物理学中最著名的无解问题之一。该理论认为，当三个物体相遇时，它们的相互作用会混乱地发展，没有规律，完全脱离起点，”哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所的亚历山德罗·阿尔贝托·特拉尼解释说。
“但我们数百万次的模拟表明，这种混乱中存在着间隙——‘规则岛’——这直接取决于三个物体相遇时相对于彼此的位置，以及它们的速度和接近角度。”
特拉尼希望这一发现能为改进天体物理学模型铺平道路，因为三体问题不仅仅是一个理论挑战。宇宙中三个物体相遇是一种常见现象，了解它至关重要。这项研究发表在《天文学与天体物理学》杂志上。
“如果我们要理解由黑洞和其他运动中的大质量物体发射的引力波，那么黑洞相遇和合并时的相互作用至关重要。巨大的力量在起作用，尤其是当三个黑洞相遇时。因此，我们对此类相遇的理解可能是理解引力波、重力本身等现象以及宇宙的许多其他基本奥秘的关键，”研究人员说。
模拟海啸
为了研究这一现象，特拉尼编写了自己的软件程序 Tsunami，该程序可以根据我们对自然定律（如牛顿引力和爱因斯坦广义相对论）的了解来计算天体的运动。特拉尼将其设置为在某些定义参数内运行数百万次三体相遇模拟。
模拟的初始参数是两个物体在其相互轨道上的位置——即它们沿 360 度轴的相位。然后是第三个物体的接近角——相差 90 度。
数百万次模拟分布在该框架内的各种可能组合中。总体而言，结果构成了所有可能结果的粗略图，就像一幅由初始配置的线编织而成的巨大挂毯。这就是规律岛出现的地方。
颜色代表碰撞后最终被弹出系统的物体。在大多数情况下，这是质量最小的物体。
“如果三体问题纯粹是混沌的，我们会看到一堆难以区分的点，三种结果混合在一起，没有任何可辨别的顺序。相反，规则的‘岛屿’从这片混乱的海洋中浮现出来，系统的行为可预测，导致统一的结果——因此，颜色也统一，”特拉尼解释道。
进两步，退一步
这一发现有望让我们更深入地了解这一原本不可能的现象。但从短期来看，这对研究人员来说是一个挑战。他们已经知道如何使用统计方法计算纯粹的混沌，但当混沌被规律打断时，计算就会变得更加复杂。
“当这张可能结果图中的某些区域突然变得有规律时，它就会影响统计概率计算，从而导致不准确的预测。我们现在面临的挑战是学习如何将统计方法与所谓的数值计算相结合，当系统有规律地运行时，数值计算可以提供高精度，”特拉尼说。
“从这个意义上说，我的研究结果让我们回到原点，但同时，它们为长远来看达到全新的理解水平带来了希望，”他说。