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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

原创2022-07-21 |作者：李晨阳张双虎黄辛 | 来源：科学网

科技
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#天体
#廖世俊
#轨道

文 | 李晨阳 张双虎 黄辛 

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。

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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。
 

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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。
 
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廖世俊团队及合作者发现的三体运动周期轨道
 
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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”。
 

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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。
 
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“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。
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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.2022.101850640_2xpzz
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