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《三体》中的“无解难题” 气象人也常遇到？！

时间：2023-02-07 09:39:44 来源: 中国气象

最近


(资料图)

电视剧《三体》热播

这部科幻巨著得到

很好的影视化呈现

也掀起了新一波“三体热”

《三体》这部小说的创作源头

就是著名的“三体问题”

那么，这个问题真的无解吗？

为何说

这种“困境”也是

气象人时常经历的？

“三体问题”是天体力学中的一个

基本力学模型

它是指研究

三个质量、初始位置

和初始速度

都是任意的可视为质点的天体

在相互之间万有引力作用下的

运动规律问题

最初，牛顿在利用力学定律

研究完二体（双星）问题后

就尝试研究三体（三星）问题

他发现在三个天体的相互作用下

其运动

无法精确预测

在牛顿之后的两三百年里

欧拉、拉格朗日、拉普拉斯等

都在尝试解开“三体问题”

但诸多数学家、天文学家

除了给出一些特殊解外

始终没办法得出特定的公式

给出准确的运动规律

最终

数学家庞加莱提出

“三体问题”不存在用公式得出的

精确的解

庞加莱指出

只要初始条件产生细微变化

随着时间推移

三体运动就会产生

截然不同的变化结果

因此，三体运动无法精确预测

在《三体》这部小说中

“三体问题”更加复杂

三体人所生活的行星

就位于一个

拥有三颗恒星的

三体系统之中

当三颗恒星全部相互远离的时候

三体行星就会处于

漫长的黑暗和极度寒冷之中

当三颗恒星中的两颗或三颗

靠近三体行星之时

三体星就会成为一片火海

这两种极端情况都不适宜文明延续

只有当三体行星被

三颗恒星中的一颗的引力场所捕获

而其余两颗恒星全部远离的时候

三体星才进入了

和地球一样的规律的

四季变化、昼夜更迭阶段

也就是《三体》中提到的“恒纪元”

但由于三颗恒星形成了“三体结构”

恒星的运行轨迹和方式

无法长期精准把握

三体文明的生存条件也因此极为恶劣

地球三体组织的“拯救派”

就希望通过

《三体游戏》来集中有识之士的智慧

帮助三体人解开难题

最终避免三体人侵占地球

但显然

这种努力最终是徒劳的

而在现实中

人们也将这种因条件细微变化

而导致结果无法精确预测的系统

称为

混沌系统

比“三体问题”更著名的

混沌系统

则是气象人每日所要接触的

上世纪中叶

美国麻省理工学院的

数学与气象学家

爱德华·罗伦兹

提出了“蝴蝶效应”

他试图用计算机来模拟天气变化

最初，他模拟了一段

并把结果打印了测量

在进行第二段模拟时

他不打算让计算机把之前的数据

重新计算一遍

而是从中挑了一个之前的模拟结果

把数值输入到计算机进行模拟

然而，他却发现

当把这个模拟结果作为初始值时

模拟的演化过程及结果

却与上一次不同

且随着时间的推移

两个结果差别越大

上面这段描述或许有些拗口

打个比方

当我们记录了

一次龟兔赛跑的全程后

让兔子和乌龟回到

上次两者出发10秒钟后的位置

并再次出发

理论上，比赛结果应该相同

但却出现了不同的走向

巴西的一只蝴蝶舞动翅膀可以引发美国得克萨斯州的一场龙卷风吗？

更多随机变量的出现

参数的细微差异

都会被时间逐渐放大

直至整个系统面目全非

这就是混沌系统

难以“计算”的原因

从天体的运行

到天气的变化

再到溪水的湍流

混沌系统其实就在

我们每个人身边

这也回答了

为何“天有不测风云”

然而

类似“三体问题”的混沌系统

真的无解吗？

对，也不对

混沌系统无法得出的是解

是通过公式精准计算的“解析解”

但如果我们设定出明确的初始条件

并对其中变量有准确、及时地掌握

是能够得出一系列“特定解”

这当中的关键在于

对初始条件、变量的更精准获取

以及计算能力

尤其是计算速度的提升

简单来说

也许我们无法通过公式

精准计算100步

但如果我们可以快速地计算出

每1步、每10步

也足够我们预知演化的方向

这正是

现代气象预报的“进化逻辑”

随着监测数据的日益丰富与精细

数据传输速率的提升

数值预报模式的迭代

计算能力的升级

风云变化在

一定时间、空间尺度内

已愈发可测

对于“三体问题”来说

即便无法为三体星人测出“万年历”

但以其小说中的科技水平

通过数值系统模拟一定时间内的

恒星运行规律

应该不是难事

譬如

如果能提前预测“乱纪元”的到来

三体星人可以及时躲避至

准备措施完备的“地下城”

远比“脱水”

更有利于文明的延续

@三体星人

面对混沌系统

我们早已不是“束手无策”

标签： 三体问题 初始条件 运动规律

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