撰文：斯凯勒·威尔                2024年6月6日

真正像“塔图因”的行星开普勒-16b同时绕两个太阳运行，说明了臭名昭著的三体问题。（图片来源：美国航空航天局/喷气推进实验室/加州理工学院）

火箭发射，我们最近的恒星邻居,一个网飞公司的节目。所有这些东西都有一个共同点：它们必须解决“三体问题”。但这个棘手的物理难题到底是什么？

三体问题描述了一个包含三个相互施加引力的物体的系统。虽然这听起来很简单，但这是一个出了名的棘手问题，也是“牛顿真正担心的第一件事”，佐治亚州瓦尔多斯塔州立大学的行星动力学学家比利·夸尔斯告诉《生活科学》。

在一个只有两个物体的系统中，比如一颗行星和一颗恒星，计算它们如何围绕彼此移动是相当简单的：大多数时候，这两个物体将围绕其质心大致绕一圈运行，然后它们会回到每次开始的地方。但再加上第三个物体，就像另一颗星星一样，事情就会变得复杂得多。第三个物体吸引着两个相互绕轨道运行的物体，将它们拉出可预测的路径。

三个物体的运动取决于它们的起始状态——它们的位置、速度和质量。即使其中一个变量发生变化，所产生的运动也可能完全不同。

弗吉尼亚理工大学的应用数学家谢恩.罗斯告诉《生活科学》：“我认为这就像你在山脊上行走。只要一个小的变化，你要么向右倒下，要么向左倒下。这是两个非常接近的初始位置，它们可能会导致非常不同的状态。”

罗斯说，物体的运动没有足够的约束，来用方程求解三体问题。

但三体问题已经找到了一些解决方案。例如，如果起始条件正好，三个质量相等的物体可以以八字形相互追逐。然而，当涉及到太空中的真实系统时，这种整洁的解决方案是个例外。

某些条件可以使三体问题更容易解析。想想《星球大战》中卢克·天行者虚构的家园塔图因吧——一颗围绕两个太阳运行的行星。这两颗恒星和这颗行星组成了一个三体系统。但是，如果这颗行星距离足够远，并且同时围绕两颗恒星运行，就有可能简化问题。

夸尔斯说：“在塔图因的情况下，只要你离中心双星足够远，你就会认为这个物体只是一颗非常胖的星星。”这颗行星不会对恒星施加太大的力，因为它的质量要小得多，所以这个系统变得类似于更容易解决的三体问题。夸尔斯告诉《生活科学》，到目前为止，科学家们已经发现了十几颗类似塔图因的系外行星。

但通常情况下，三体的轨道从来没有真正稳定下来，三体问题会随着一声爆炸而“解决”。夸尔斯说，引力可能会导致三个天体中的两个发生碰撞，也可能将其中一个天体永远抛出系统——这可能是不围绕任何恒星运行的，“流氓行星”的来源。事实上，三体混沌在太空中可能如此普遍，以至于科学家估计，我们银河系中的流氓行星数量可能是恒星数量的20倍。

当所有其他方法都失败时，科学家可以使用计算机来模拟单个三体系统中物体的运动。这使得预测发射到绕地球轨道的火箭的运动成为可能，或者预测一颗行星在多恒星系统中的命运成为可能。

--数学家为“无法解决”的三体问题找到了12000个新的解决方案

在所有这些混乱中，你可能会想，是否有任何东西能在像网飞的《三体问题》中那样的星球上生存下来，该星球——剧透提醒——被困在围绕我们太阳系最近的邻居半人马座阿尔法系三颗恒星的混乱轨道中。

罗斯说：“我不认为在这种情况下，这是一个稳定的生命进化环境。”这是该剧的一个方面，它仍然牢牢地停留在科幻小说的领域。