研究跳出旧框架 科学家解决三体问题获新进展

以色列希伯来大学（The Hebrew University of Jerusalem）的研究人员使用一种全新的方法，对经典三体问题做出明确的统计预测。

可是科学家发现这个问题看似简单，实则艰深。比如，系统最后的运动结果对三个天体初始的位置、速度非常敏感。科学家把这个敏感度称为混沌（chaos）。这个概念意味着，三个天体最后的结局难以用确定的可能性进行预测。

这个难题从被提出至今三个多世纪以来，吸引了大量优秀的物理学家、天文学家和数学家投入研究。

现在，希伯来大学的研究人员找到一种新的思路考虑这个问题，跳出原来的研究框架，大幅降低了这个问题不确定性，对系统中每个天体最后飞离系统的可能性做出精确的预计。这份研究4月1日发表于《天体力学与动力学天文学》（Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy）期刊。

研究历史回顾

17世纪末，著名科学家牛顿（Isaac Newton）用万有引力定律解释了行星绕行太阳的规律。他也想解释月球的运动规律，因为地球和太阳都对月球的轨道产生影响，因此预计这些天体最后的运动情况很复杂。后来这样的问题发展成经典的三体问题。

在牛顿之后，数学家欧拉（Leonhard Euler）、拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange）和雅各比（Carl Gustav Jacob Jacobi），再到19世纪的庞加莱（Henri Poincaré），都对这个问题做出了贡献。

进入20世纪，随着电脑的发展，科学家能用电脑系统模拟三体的演化模式。一些科学家发现，在一般的情况下，三体系统会经历混乱与规律运动之间的变换，最后变成两个天体绕一个共同的中心运转，而第三个天体将彻底离开这个系统。

科学家意识到即使使用电脑模拟，也难以对三体系统长远的结局做出预测。不过，1976年进行的大量模拟取得新的进展。这些模拟显示，可以对系统做出统计的预测。具体来说，可以预测每个天体离开系统的可能性。从这个角度看，科学家认为原来去寻找确定性结局的目标是错误的，正确的目标是去寻找统计预测。

一年多前，希伯来大学拉卡物理研究所（Racah Institute of Physics）的斯通（Nicholas Stone）第一次使用一种新的方法进行计算，找到了对三体问题结局确定的数学描述，是这个问题的又一个进展。但是，这种方法又依赖于一些特定的条件假设。

他把考虑的空间区域称为相位空间体积（phase-space volume）。因为引力具有无限的作用范围，这也意味着这个空间内将具有无限的可能性。为了绕开这个问题，同时由于其它一些原因，这种方法就有些武断地进行“强作用区域”假设，只考虑到在作用力很强的区域内产生的各种情况。

新的研究方法

在最新的这份研究中，同是拉卡物理研究所的科尔（Barak Kol）针对这些假设条件做了进一步分析——从相位空间流出通量（outgoing flux）的角度进行考虑，而不针对相位空间本身。研究称，即使空间是无尽的，这个通量却是有限的，所以这个方法不需要使用以前研究所用到的武断的假设。

这种理论基于流出通量对每个天体离开系统的可能性做出预测，结果与以前所有的理论都不相同。科尔说，“数百万个电脑模型的检测显示，理论和模型高度吻合”。

这些电脑模型是与美国芝加哥大学、日本冲绳学院（Okinawa Institute）、智利康塞普西翁大学（University of Concepcion）合作完成。

研究称理论与模型的相符证明，新理论对三体系统进行了很好的描述。这也说明，即使是如此古老艰深的问题，如果能彻底改变思考的模式，也完全有可能得到创新的见解。

三体问题的意义

这项研究对很多天体物理问题和机械领域都有帮助。在天文物理学方面，它将增进科学家对紧凑双体系统（即两个天体构成的系统），和恒星群内部机制的了解。现在探测到的大量引力波来源于双体系统。

在机械学方面，很多问题都涉及到混沌系统，而三体问题正是混沌系统的原型，因此三体问题的突破将对一系列机械学问题产生深远的影响。