第76期：《三体》寻找无序中的有序--中国数字科技馆

第76期：《三体》寻找无序中的有序

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最新发布时间： 2023-06-30 浏览数：

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　　年初，由刘慈欣同名长篇科幻小说《三体》改编的电视剧，以实景拍摄的写实故事与三维动画展现的“三体游戏”交织呈现，让观众身临其境般体验了“三体”星系如地狱一般的恶劣生存环境。恒纪元、乱纪元、双日凌空、三日凌空、三星连珠、飞星不动等这些在小说中出现的晦涩词语，在剧中通过三维动画悉数呈现，让我们在感叹画面场景宏大真实之时，也对“三体”星系产生了更为浓厚的兴趣。

　　浩瀚宇宙中，位于太阳系的地球是孕育我们人类文明的家园，我们享受着昼夜交替和四季变更。但《三体》中的三体星系，让我们看到了宇宙的残酷与神秘。在《三体》中，“三体问题”作为推动剧情发展的核心，从巫术、占卜，到机械模型模拟、天文观测、再到人列超级计算机，都是为了探索三体星系恒星运行规律，为三体文明的延续发展寻找出路。然而最终的结果是：三体问题无解。我们不禁好奇，“三体问题”究竟是什么？

　　“三体”是天体力学名词，指的是由3个质点及其相互引力作用组成的力学关系。想理解“三体问题”，不妨让我们先回到牛顿时代，回到更基础的“二体问题”——两个天体如何运动？有何规律？牛顿的万有引力定律告诉人们，空间中任意两个物体之间存在一种与它们质量的乘积成正比、距离平方成反比的力量，驱使它们围绕共同的质心作圆锥曲线运动，运用数学模型即可计算出天体的运动轨迹，这就是二体运动。

　　“三体问题”，简单地说就是探讨3个质量、初始位置和初始速度，都为任意的可视为质点的天体，在相互之间万有引力的作用下的运动规律问题。这个问题看似简单，却困扰了科学家300余年，至今无解。1889年，法国数学家、天体力学家亨利·庞加莱因研究天体力学中的三体问题获奥斯卡二世奖金。庞加莱表示，三体运动问题中星体的运动轨道总体来说是经受不起微小扰动的，因此不能被长期预测，他首次提出了“混沌”机制，在数学领域新增了混沌这一支系。

　　现代数学中的混沌理论诞生于20世纪。1961年，美国气象学家爱德华·洛伦兹在研究天气系统的过程中，给出了一个明确的方程式模型来描述“混沌”，他的“对初始条件敏感性”走进了大众视野。混沌理论认为，在混沌系统中，初始条件十分微小的变化，经过不断放大，对其未来状态会造成极其巨大的差别。正如我们常听到的，南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。这是我们所熟悉的“蝴蝶效应”，也是“混沌”最经典的案例。

　　我们在生活中也时常会经历“混沌”现象，天气就是一个典型的混沌系统：前一刻还乌云压顶，空气闷热潮湿，种种迹象表明即将有一场大雨，然而后一刻，不知为何突然生出了一阵大风吹散乌云，在太阳照射下，闷热的空气顿时变得干燥清爽，本是板上钉钉的雨天就这样被一股大风给吹走了。原本确定的征兆却导出了不确定的结果，这就是混沌。天气这个混沌系统中的每一个点都包含有速度、密度、压力、温度等信息，它们无时无刻不在变化。因此这一系统中发生微小的变化，就可能导致原本的晴空万里转变成大雨倾盆。这种对初始条件的极端敏感性，正是混沌系统的一个重要特征。

　　始于毫厘，终于千里。混沌理论使人类更加理解了自然现象的变化无常，打破了对精确预测未来的幻想。在科学及人文界，混沌的例子屡见不鲜：结构非常简单而行为异常复杂的双摆运动、难以精准预报的天气、莫名出现的网红语言，甚至宇宙中天体的运行。

　　《三体》让我们看到混沌是浩瀚宇宙的原有状态，对未知领域的好奇心和求知欲，也必将指引我们继续探索广袤宇宙的秘密，寻找无序中的有序。随着科学技术的发展，或许，未来，三体问题终将得解。

（作者：郝倩倩系中国科技馆科普影视中心副研究员）

（专栏编辑：李竞萌、赵铮、吕西）

（本文转载自：《科普时报》2023-6-16(第2版)“媒眼看世界”栏目）

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