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研究跳出旧框架(科学家解决三体问题获新进展)

时间:2023-06-19 04:47:01

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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。

三体示意图。三体问题是指三个天体在相互之间引力的作用下的运动规律问题,科学家想找到一个公式描述最后三个天体的结局,这对于广泛的机械问题和天体运动规律具有重要意义。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。

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显示评论内容(3)
  1. 梓晓嫣霏2023-12-18 08:33梓晓嫣霏[陕西省网友]223.223.177.81
    希望这项研究能够为我们揭开更多宇宙奥秘期待着未发展!
    顶5踩0
  2. 卿本佳人2023-10-18 15:18卿本佳人[广东省网友]203.33.158.44
    这个领域研究直备受关注能够跳出旧框架获得新进展真是让人刮目相。
    顶4踩0
  3. 会唱歌得猪2023-08-18 22:02会唱歌得猪[江西省网友]203.34.195.22
    真是令人激动消息!科学家们努力终于取得了新进展期待他们能够带更多突破性发现。
    顶0踩0
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