三體問題

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初始位置在斜三角形的三個頂點,且初始速度均為零的三個相同物體的近似軌跡。按照動量守恆定律,質心仍然存在。
初始位置在斜三角形頂點,且初始速度均為零的三個相同物體的近似軌跡。按照動量守恆定律,質心仍然存在。

三體問題(英語:Three-body problem)是天體力學中的基本力學模型

內容

它是指三個質量、初始位置和初始速度都是任意的可視為質點的天體,在相互之間萬有引力的作用下的運動規律問題。

現在已知,三體問題不能精確求解,即無法預測所有三體問題的數學情景,只有幾種特殊情況已研究。

例如太陽系中,考慮太陽、地球和月球的運動,它們彼此以萬有引力相吸引,若假設三個星球都可設為質點,並且忽略其他星球的引力,太陽、地球和月球的運動即可以視為三體問題。

歷史

在1887年,為了祝賀自己的60歲壽誕,瑞典國王奧斯卡二世贊助了一項現金獎勵的競賽,徵求太陽系的穩定性問題的解答,這是三體問題的一個變種。

法國數學家龐加萊簡化了問題,提出了限制性三體問題:即三體中其中兩體的質量極大,以至於第三體的質量完全不能對其造成任何擾動。面對這個問題,龐加萊運用了他發明的相圖理論,並且最終發現了混沌理論。雖然龐加萊沒有成功給出一個完整的解答,他的工作令人印象深刻,以至於他還是在1888年贏得了獎金。

龐加萊發現這個系統的演變經常是混沌的,意思是說如果初始狀態有一個小的擾動,例如一個體的初始位置有一個小的變動,則後來的狀態可能會有極大的不同。如果該小變動不能被我們的測量儀器所探測,則我們不能預測最終狀態為何。

裁判之一,著名的數學家卡爾·魏爾施特拉斯說:「這個工作不能真正視為對所求的問題的完善解答,但是它的重要性使得它的出版將標誌着天體力學的一個新時代的誕生。」

魏爾斯特拉斯並不知道他自己的預測有多準確。在龐加萊的論文中,他描述了例如同宿點(homoclinic points)之類的新思想。這些概念在1890年的Acta Mathematica備忘錄中出版,後來該書在編輯途中被發現一個理論上的錯誤,然而該錯誤實際上導致了龐加萊一些進一步的發現,它們現在被視為混沌理論的開端。

另見

參考資料