2015年8月23日,被誉为“中国科幻第一人”的刘慈欣凭借其科幻小说《三体》获得“雨果奖”最佳长篇小说奖,这是亚洲人首次获得雨果奖,也是中国科幻第一次获得世界级的认可。
在小说中,三体叛军通过《三体》游戏向社会传播三体文化,游戏玩家们建立了各种模型来躲避乱纪元、预测恒纪元的到来。在游戏第一关中,一个文明在“三日凌空”中毁灭,玩家哥白尼成功揭示出宇宙的基本结构;游戏第二关,另一个文明毁灭,它最终证明了三体问题无解,人们放弃了徒劳的努力,并确定出全新的走向。至此,游戏的终极目标发生变化,调整为飞向宇宙,寻找新的家园。
《三体》三部曲中有无数让人脑洞大开的经典创意,而它们的创作基础就是天体力学中基本的三体模型。那究竟什么是三体呢,下面我们就来揭开神秘科幻面纱下的科学真相。
什么是三体问题?
1900年,数学家希尔伯特在他著名的演讲中提出了23个困难的数学问题以及两个典型例子,第一个是费尔马猜想,第二个就是所要介绍的N体问题的特例——三体问题。对于20世纪数学的整体发展,这两个例子所起的作用要比23个问题中的任何一个都更加巨大。最终,费尔马猜想在1994年被美国的怀尔斯解决,而三体问题却仍然是数学大厦上的一朵乌云,挥之不去。
三体问题是天体力学中的基本模型,即探究三个质量、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。如下图所示,它们有无数种可能的运动轨迹。最简单的例子就是太阳系中太阳,地球和月球的运动。
三体问题是否有解?
套用小说中数学家魏成的描述:三体问题的真正解决,是建立一种数学模型,使得在已知任何一个时间断面的初始运动矢量时,能够精确预测三体系统以后的所有运动状态。一般的三体问题,每一个天体在其他两个天体的万有引力作用下,其运动方程都可以表示成6个一阶的常微分方程。因此,一般三体问题的运动方程为十八阶方程,必须得到18个积分才能得到完全解。然而,现阶段还只能得到三体问题的10个初积分,远远不足以解决三体问题。
我们常说的“三体问题无解”,准确地来说,是无解析解,意思是三体问题没有规律性答案,不能用解析式表达出来,只能算数值解,没有办法得出精确值。然而对于三体问题的数值解,时间会无限放大初始的微小误差,因此数值法几乎没有办法预测当时间趋于无穷时,三体轨道的最终命运。而这种对于轨道的长时间行为的不确定性,就被称为“混沌”现象。
此图为艺术家描绘从“三星系统”中一颗行星的卫星上看到的情景。这种恒星系统处于极不稳定的混沌运动状态。
三体问题的特殊情况
三个物体在空间中的分布可以有无穷多种情况,由于混沌现象的存在,通常情况下三体问题的解是非周期性的。寻找三体问题的通解是枉费力气,但在特殊条件下,一些特解是存在的。必须找到合适的初始条件:位置、速度等等,才能使系统在运动一段时间之后能够回到初始状态,即进行周期性的运动。在“三体问题”被提出的三百年内,仅仅三种类型的解被发现。而在1993年,两个物理学家又发现了13类新解。
(1) 8字型族——三个物体在一条8字形的轨道上互相追逐。
(2) 拉格朗日-欧拉族——三星成三角形,围绕三角形中心旋转。
(3) 布鲁克-赫农族——轨迹复杂,两个物体在里层来返往复,第三个物体在外层旋转。
(4) 塞尔维亚物理学家Milovan uvakov和VeljkoDmitrainovi发现新的13族特解,三个天体在空间中的排列组合有无限种,他们利用计算机模拟,从现有的特解出发,调整初始条件直到新类型的轨道被发现。
限制性三体问题
其实,三体运动已经是对实际物理简化得很厉害了,比如说对质点,球体自转、形状已经统统不考虑了。然而即使是这样,牛顿、拉格朗日、拉普拉斯、泊松、雅可比、庞加莱等等大师们为这个问题穷尽精力,也未能将它攻克。科学发展到现在,三体问题的求解和应用其实就是一部心酸的简化史。
研究三体问题的意义
目前三体问题的研究主要集中在限制性三体问题上。
1772年,拉格朗日在“平面限制性三体问题”条件下找到了5个特解,也就是著名的拉格朗日点。在该点上,小天体在两个大天体的引力作用下能基本保持静止。
比如上面这张图上,地球和太阳连线上有L1,L2,L3三个拉格朗日点,而在地球轨道上则有L4,L5两个点,它们和太阳以及地球构成等边三角形。L1,L2,L3是不稳定的,如果小天体离开这三个点,就会越跑越远,无法在稳定的轨道上运行。而L4,L5是稳定的。L4,L5的稳定解在太阳系里确实存在实例,木星的L4和L5点上各有一群小行星,就是著名的特洛伊群和希腊群小行星。
拉格朗日点在深空探测中具有很高的科研价值,主要体现在两个方面:科学观测的极佳位置和深空探测的中转站。位于L4和L5的航天器能与两个天体保持相对静止,这样非常有利于一些长期的科学观测。而共线拉格朗日点存在着稳定流形与不稳定流形,使得航天器在其上运动时,可不需耗费任何能量地趋近或远离周期轨道,利用这一点,可以为设计行星间的转移轨道提供巨大的帮助。
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潘寒杀死申玉菲是因为他认为申玉菲是三体问题的关键,他认为只有杀死申玉菲,才能解决三体问题。潘寒认为,申玉菲拥有一种特殊的能力,可以控制人类的思想,从而控制人类的行为。申玉菲的能力使他能够控制人类,从而控制三体问题的解决方案。因此,潘寒决定杀死申玉菲,以解决三体问题。
三体世界的灾难。
永远探索不到规律 不知道是否下一刻就会灭亡三体问题无解,连这样简单系统都处于不可预知的混沌状态,就更别说复杂的宇宙了。三颗飞星(三日凌空)“三颗太阳出现过,也有人看到过,但看到它们的人不可能将信息流传下来,因为当他们看到这伟大的景象时,最多再活几秒钟,不可能逃脱并幸存下来。‘三日凌空’是三体世界最恐怖的灾难,那时,行星表面会在瞬间变成冶炼炉,高温能够熔化岩石。在‘三日凌空’中毁灭的世界要经过漫长的时间才能重现生命和文明,这也是没有历史记载的原因。”飞星不动“远方的太阳,从地面的观察角度看在宇宙背景上静止了,只意味着太阳与行星在一条直线上运行,这有三种可能:一、太阳与行星以相同速度向同一方向运行;二、太阳正远离行星而去;三、太阳正冲行星而来。”
因为申玉菲是拯救派,如果三体问题有可能有解,这是阻止三体人降临的关键信息,降临派肯定会把这个信息隐藏起来。”申玉菲如果在游戏里看到三体问题无解的信息,也很可能会这么想,毕竟游戏里展现的一切,都不是主直接和她的联系,都是二手的信息。而申玉菲为啥没用从游戏里得到三体问题无解的信息,很可能她看到了但不相信,因为ETO知道的一切三体人的信息,都是从降临派那里倒了一手的,申玉菲一直在怀疑其中很多信息被降临派篡改。
无解不是随机,无解就是说无法根据任意已知信息将任意时刻的星体位置及其它相关信息准确表示出来,相关的方程也无解(就是说没有像二次函数这样的求根公式),但绝对不是随机的(宏观问题一般不具有随机性)。现在研究的一般是一些建立在特殊的已知条件下三体问题,可能建立在这些条件下的三体问题有解,比如说高中物理书上所说的特殊情况:三星共线、三星构成等边三角形。还有其它的一些特殊情况,这些可能有解,但这些的基础条件具有特殊性,不具有任意性,不违背三体问题无解这一“定论”。
魏成没有解决三体问题。
魏成本来有可能算出来,但是降临派不想让他算出来,所以后来就没算了。魏成是人类科学界第一个把“三体问题”求导至定性解的数学家,也正因为这个原因,申玉菲才相信真的可以用数学的力量,改变两个文明的命运。
魏成曾经因为遭遇计算的瓶颈,而厌倦人世,最终在那样一个充满神秘感的修行场所悟出了三体之道,最后苦心研究数学题!在修行之地,他偶遇了申玉菲。
当然,高冷女神对他的外貌气质,没有一丝一毫的兴趣,但是对他地上散落着无数张的数学草稿纸颇为有兴趣,最后问了他一句:“你也在研究三体问题?”最终两个人结婚了,只求利用他的数学天才能力算题。
魏成简介
关于魏成的成长经历基本上与原著完全符合,魏成从小就是一名数学天才儿童,但是除了数学以外,他好像对什么都不在行,甚至对自己的生活都无法完全自理。魏成浑浑噩噩地度过了大学本科和研究生时期,后来在大学任教也表现得一塌糊涂。
没办法他一个人来到了寺院,打算在这里度过自己的余生。电视剧在寺院这段戏的时候做了一些改编,那个从一句话就推断出申玉菲的主真实存在的长老不见了,被改编成了魏成父亲的朋友韩教授,并由他来对魏成讲解了什么是“空”。接下来就是魏成进入三体宇宙冥想模式。
在原著中潘寒杀死申玉菲的理由是为了阻止申玉菲继续三体问题。如果三体问题真的被解决了,那么“主”可能不再降临地球。这个杀人的理由很“充足”,也很“合理”。
电视剧改编后,把申玉菲的死延后了,申玉菲和潘寒都知道三体问题无解,三体文明已经决定向宇宙“搬家”了。此时的潘寒完全没有理由再去杀申玉菲,他知道“主”肯定会降临地球,申玉菲或者说拯救派已经改变不了“主”的意志,所以说申玉菲是死是活已经是无足轻重了。
如果强行解释潘寒为什么要杀申玉菲,可能是因为在火车上没能杀死申玉菲,这次一定要解决掉,或者是怕申玉菲把“主”的信息透露给ADC。不过这2个理由貌似都不合理,“主”不在乎呀!只能说电视剧把申玉菲的死改编的并不合理。
如果非要让申玉菲下线,完全可以改成让她自杀。理由是她没办法拯救“主”,自己之前的一切努力都是徒劳的,是因为另一种“物理学不存在了”而自杀。
电视剧三体简介
2007年,地球基础科学出现了异常的扰动,科学界人心惶惶。离奇自杀的科学家,近乎神迹的倒计时,行事隐秘的科学边界,神秘莫测的《三体》游戏……纳米科学家汪淼被警官史强带到联合作战中心。
并潜入“科学边界”组织协助调查,在调查过程中,汪淼和史强接触到一个名为ETO的组织,并发现《三体》游戏的秘密,竟是两个文明为了生存空间,孤注一掷的生死相逐,在众人的共同努力下,汪淼、史强等人坚定信念、重燃希望,带领大家准备一起面对即将来临的人类危机。
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