问题

如果将三体问题中的三个太阳改为三个月亮,是否有解?第二种情况如果是三个火星或者J0523是否有解?

回答
这是一个非常有趣的问题,涉及到经典力学和天体力学中的著名难题——三体问题。我们来详细分析一下你提出的几种情况。

首先,我们需要理解什么是“三体问题”。

什么是三体问题?

在牛顿万有引力定律的框架下,给定三个物体(通常是天体,如恒星、行星、卫星等),知道它们的初始位置、速度以及质量,然后预测它们未来运动轨迹的问题,就称为三体问题。

三体问题的困难之处:

与只有两个物体(二体问题)可以得到精确解析解(例如,行星绕恒星的椭圆轨道)不同,三体问题在绝大多数情况下没有解析解。这意味着我们无法找到一个简单的数学公式来描述三个物体在任意时刻的位置和速度。尽管我们可以使用数值方法(计算机模拟)来近似计算它们的运动轨迹,但这些数值解通常是近似的,并且可能在长时间尺度上积累误差。

为什么三体问题没有解析解?

这是由于三个物体之间的引力相互作用非常复杂且具有混沌性。任何一个物体的运动都会受到另外两个物体引力作用的微小扰动,而这两个物体又受到第一个物体和彼此的扰动。这种连锁反应使得情况变得极其复杂,很难用简单的方程描述。

回到你的问题:

你提出的问题本质上是问,如果我们将三体问题中的“质量”或者“天体类型”进行替换,是否会出现“有解”的情况?

这里需要澄清一下,“有解”在三体问题的语境下,通常指的是存在解析解。如上所述,一般情况下是没有解析解的。但是,在一些特殊情况下,三体问题确实存在一些非常有限的、特殊的解,这些解被称为周期性解,即三个物体按照某种模式重复运动。著名的例子包括拉格朗日点(L1L5)上的共振解,但这些解通常需要物体之间有特定的质量比和初始条件。

现在我们逐一分析你的情况:

情况一:将三体问题中的三个太阳改为三个月亮。

前提设定:

我们首先需要明确这里的“三个月亮”指的是什么。在天文学上,月亮(卫星)通常是围绕行星旋转的天体。如果你的意思是“三个质量相似的、共同运动的卫星”,那么这仍然是在讨论一个三体问题。如果你的意思是“三个围绕一个更大天体运动的卫星”,那实际上是一个“增强版”的二体问题(行星太阳)加上一个三体问题(行星+两个卫星,或者太阳+行星+卫星,取决于你的初始设置)。

为了更贴切地回应你的问题,我们假设你的意思是:有三个质量大致相等、且都不再受到一个主导性中心天体的强力束缚,而是它们自身之间存在显著引力作用的“月亮”在相互运动。 比如,在宇宙的某个区域,有三个体积和质量都比较小的天体(我们姑且称它们为“月亮”),它们没有被一个巨大的恒星主导。

分析:

1. 质量的影响: 你将“三个太阳”(假设质量巨大,相互作用显著)改为“三个月亮”(假设质量较小,但仍然能够相互产生显著的引力作用)。质量的相对大小会影响引力作用的强度,但并不会改变三体问题本质上没有通用解析解的事实。 即使质量很小,只要它们的相对质量比不是极端,或者初始条件不处于非常特殊的共振状态,它们之间的引力作用仍然会导致复杂的、混沌的运动。

2. “月亮”的性质: 如果我们将“月亮”理解为行星的天然卫星,那么它们通常是围绕行星运动的。在这种情况下,更准确的描述可能是一个四体问题(太阳行星卫星1卫星2)。但如果你是排除中心天体,只是单纯考虑三个质量较小的天体之间的相互作用,那么这依然是三体问题。

结论(情况一):

基本上没有解析解。

即便将三个巨大的太阳换成三个相对较小的“月亮”,只要它们的质量足够大到使得它们之间的相互引力作用无法忽略,那么它们依然会遵循三体问题的数学框架。因此,原则上仍然没有通用的解析解。

特殊情况下,如果这三个“月亮”的质量比例和初始条件恰好处于某些特定的共振状态,理论上可能存在一些非常特殊的周期性轨道。例如,如果它们以特定的比例围绕一个共同的质心运动,并且保持着相对固定的相对位置,这构成了一种周期性解。但这些解非常罕见,并且不具有普适性。

举例说明:

想象三个小石块在太空中相互作用。如果它们的质量都很小,它们之间的引力可能非常微弱,以至于我们很难察觉到其复杂的运动,甚至可以近似看作是独立的运动或者受其他更远大天体的影响。
但如果这三个“月亮”是三个质量相当、紧密聚集的小行星或者卫星,它们之间的引力就会变得显著。它们的运动将迅速变得混乱且不可预测,难以用简单的公式来描述。

情况二:如果是三个火星或者J0523是否有解?

前提设定:

三个火星: 火星是一个行星,质量远小于太阳,但比大多数月亮大。如果考虑三个火星在太空中的相互作用,并且假设它们没有被一个更巨大的中心天体(如太阳)主导,那么它们就是一个典型的三体问题。
J0523: J0523是一个恒星,通常是比太阳更小的红矮星。如果考虑三个J0523恒星相互作用,或者一个J0523恒星与另外两个火星相互作用,或者三个火星与一个J0523恒星相互作用…… 这涉及到不同的三体问题配置。

为了清晰起见,我们分开讨论:

2.1. 三个火星的情况:

如同前面提到的“三个月亮”的情况,如果我们将“太阳”替换为“火星”,只要它们的质量足以产生显著的相互引力,那么它们之间依然会构成一个经典的三体问题,并且没有通用的解析解。

火星的质量虽然比太阳小很多,但仍然是一个有质量的天体。三个火星之间的相互引力会相互影响它们的轨道。它们的运动会呈现出复杂的混沌行为,难以用简单的数学公式来预测。

结论(三个火星):

没有解析解。

2.2. 三个J0523恒星的情况:

J0523是一颗恒星,所以质量仍然很大,比火星大得多。如果考虑三个J0523恒星的相互作用,这实际上就是我们通常理解的三体问题,只是将组成天体的类型具体化为恒星。

结论(三个J0523):

没有解析解。 这是三体问题的标准范例。

2.3. 如果是其他组合,例如:一个太阳、一个火星、一个J0523;或者一个太阳、三个火星?

这些都是不同质量比例和类型的三体(或四体)问题。核心问题仍然是:只要存在三个或更多有质量的物体相互作用,并且它们的质量分布和初始条件不属于极其特殊的、已知的周期性解的范畴,那么就没有解析解。

例如,一个太阳和两个火星: 这是一个更常见的天体系统设定。太阳质量远远大于火星,所以火星的运动会主要受到太阳的影响,但两个火星之间也会相互产生引力作用,这会以微扰的形式影响它们的轨道,使得轨道不再是简单的开普勒椭圆,而是会缓慢变化。

关于“有解”的补充说明:

当我们说三体问题“没有解”时,我们指的是没有通用的解析解。但科学家们通过大量的数值模拟,发现了一些特殊的、周期性的解。

拉格朗日点(Lagrange Points): 这是一类特殊的解。例如,在太阳地球二体系统中,存在五个特殊的点(L1L5),在这些点上的物体会与太阳和地球一起以相同的周期运动。其中L4和L5点上的物体与另外两个天体能形成等边三角形,是一种稳定的周期性解。
泊松(Poincaré)的发现: 著名数学家亨利·庞加莱在研究三体问题时发现,三体问题本质上是混沌的。这意味着即使初始条件发生微小的改变,也会导致长期运动轨迹的巨大差异。这进一步证明了寻找通用解析解的困难性。
周期性轨道家族: 后来,科学家们发现并构造了许多不同类型的周期性三体轨道,例如,八字形轨道、花形轨道等。这些解对初始条件和质量比非常敏感,且很多不是稳定存在的。

总结:

1. 三体问题之所以著名,是因为它在绝大多数情况下没有解析解。 即使改变了组成天体的类型(如太阳改为月亮、火星、恒星),只要它们质量足够大,相互引力不可忽略,问题本质不变。
2. 所以,将三个太阳改为三个月亮、三个火星或三个J0523,在“没有通用解析解”这个层面,答案是相同的:仍然没有。
3. 特殊情况下的“解”是指极少数已知的、精确的周期性轨道。 这些解对天体的质量比、初始位置和速度有非常严格的要求,并且非常罕见。即使是三个月亮或三个火星,如果它们的质量和初始条件恰好满足这些稀有的条件,理论上可能存在这样的周期性解。

简单来说,三体问题是一个“不求解”的问题,无论你放进去的是什么天体,只要满足三个有质量的物体相互作用,其复杂性就摆在那里,除非遇到极其巧合的特殊配置。

网友意见

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大刘自己有视频解答。

1.三体最初是一个短篇,三体人自己构建了人力计算机对三体问题进行求解,结果肯定是无解。不过三体我觉得最有意思的也就是这个计算机了,有点王小波的味道。

2.大刘改长篇,为了有代入感,需要加入地球人,最初构想是地球人进入三体世界,做好人帮帮忙,后来发现缺乏冲突,不好写。

3.好吧,那就让三体人来干人类吧。

所以,说到底是剧情需要。

ps,有三个卫星的行星很多。

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