著名混沌三体问题竟藏有“规律之岛”

当三个巨大的物体在太空中相遇时，它们通过引力相互影响，其方式难以预测。总之，情况是混乱的。这是传统的理解。现在，哥本哈根大学的一位研究人员发现，这样的相遇往往并非混乱，而是遵循常规模式，其中一个物体很快就会被从系统中排出。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。

目前网飞上最受欢迎的节目之一是科幻系列剧《三体》。该剧基于刘慈欣的中国小说系列，涉及各种各样的角色、时期甚至外星访客。但其核心前提涉及一个恒星系统，在这个系统中，三颗恒星相互围绕运行。

这样一个系统，三个物体相互影响彼此的引力，自从“引力之父”艾萨克·牛顿首次描述以来，一直令科学家着迷。虽然两个物体在太空中相遇时的相互作用是可预测的，但第三个巨大物体的引入使得三者的相遇不仅复杂，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。该理论指出，当三个物体相遇时，它们的相互作用会混乱演变，毫无规律，并且完全脱离起点，”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。

“但我们数百万次模拟表明，在这种混沌中存在着间隙——‘规律之岛’——这直接取决于三个物体相遇时彼此的相对位置，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开辟道路，因为三体问题不仅仅是一个理论挑战。宇宙中三个物体的相遇是常见的，对其的理解至关重要。这项研究在《天文学与天体物理学》杂志上发表。

“如果我们要理解从运动中的黑洞和其他大质量物体发出的引力波，黑洞相遇和合并时的相互作用不可或缺。巨大的力量在起作用，特别是当三个黑洞相遇时。因此，我们对这种相遇的理解可能是理解引力波、引力本身以及宇宙中许多其他基本奥秘等现象的关键，”研究人员说。

为了研究这一现象，特拉尼编写了自己的软件程序“海啸”，该程序能够依据我们所掌握的诸如牛顿引力和爱因斯坦广义相对论之类的自然法则知识，来计算天体的运动。特拉尼让它在某些特定参数内运行数百万次三体相遇的模拟。

模拟的初始参数为两个物体在其相互轨道上的位置，也就是它们沿 360 度轴的相位。接着是第三个物体的接近角度，变化 90 度。

数百万次模拟分布于这个框架内的各种可能组合当中。总体来说，结果形成了所有能想象到的结果的粗略地图，就如同用初始配置的线织就的巨大挂毯。这里便是规律之岛出现之处。

这些颜色所代表的是在相遇之后最终从系统中弹出的物体。

“如果三体问题纯粹处于混沌状态，我们就只会看到无法区分的点混乱地混合在一起，所有这三种结果也会毫无秩序地混为一团。”

这一发现为更深入地理解原本难以理解的现象带来了极大的希望。然而，在短期内，这对研究人员来说是一个挑战。纯粹的混沌是他们已经知道如何使用统计方法计算的东西，但当混沌被规律所打断时，相关计算就会变得更为复杂。

“当这张可能出现的结果的地图中的某些区域突然变得有规律时，它会扰乱统计概率的计算，致使预测出现偏差，”特拉尼说。

“从这个层面来讲，我的结果使我们又回到了最初的起点，但与此同时，从长远的角度来看，它们为全新层面的理解带来了希望，”他说。