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既然三体运动非常不稳定,那太阳系为什么能稳定存在?

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online_member 发表于 2023-2-7 12:21:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
太阳系连8大行星在内其实算9体吧……我知道有人会说三体指三颗恒星,可是宇宙中不可以存在一颗巨大的主星环绕两颗矮星的稳定结构吗?质量差是相当的哟
online_member 发表于 2023-2-7 12:22:29 | 显示全部楼层
三体运动是不稳定,但是稳定是相对的概念,相对什么的?相对于你的观测频率。
如果你每隔一千万年观测一次太阳系,你可能会觉得太阳系的运动不太规律,你要是十亿年观测一次,那就会觉得太不规律了。但是你要是每年观测一次,你会觉得非常规律。
对任何运动学问题来说,观测频率都是一个不可忽略的客观指标,被研究对象的有序性或者无序性很大程度上取决于你的观测频率。
对于理论上的三体运动来说,如果你把观测频率设定足够高,那么它也会看起来像是有规律的,至少在足够短时间里你可以在一定精度范围内预测它的运动趋势。
三体小说里大刘忘记了这件事,他忘了在现实里,天体的无规则运动是【低频率】的,也就是说必须要数百万年观测一次才会觉得它无规律。而我们日常的观测频率远高于【数百万年一次】,我们几乎每秒都观测一次。。。所以三体人无法预测三体星系运动纯属无稽之谈。
为什么是无稽之谈,我们站在中学物理角度就能给出解释(如果你要用理论物理去解释就会更加令人信服,但没有那个必要,因为这点事情用中学物理就能说清了):
牛顿第二定律我们都知道,F=ma,在作用力有限时,质量越大的物体能获得的加速度越小
而万有引力是最弱的基本力,学过牛顿引力定律的同学都知道一个天体对另一个天体的引力是F=GmM/r,它之所以弱就是因为G的数值很小(比起电磁力的K要差远了)
所以任何天体M对别的天体m产生的加速度a=F/m=GM/r都是一个很小的加速度,尤其是它不仅很小,还随着距离作指数衰减(衰减很快,距离稍微增加,这个加速度就减小许多,超出一定距离就微乎其微了)。
三体里描述的三星乱行是什么样的呢?如果要达到不能预测的水平,那就要求三颗恒星每一颗的运行速度都很高,如果速度只有太阳系里行星这么低,那是绝对能高精度预测的。那么,如果要三体恒星速度远超我们太阳系的行星,这个条件下让两个三体恒星互相远离,会发生什么事情呢?
如果它们互相高速远离,那么它们之间的那点万有引力是绝对拉不住对方的,它们绝对会完全无视引力拉扯而从此分道扬镳,之后更没有足够的引力再把它们拉回到一起!
所以,这个三星乱行体系就这么瓦解了,两颗恒星从此老死不相往来了(那么后续的无规则三体运动就根本不会存在了),就是因为它们速度太快谁也拉不回谁。
就是因为这个原因,现实里天体运动速度如果太快,就会脱离引力束缚离开这个天体系统。
因此,现实里一切能称之为天体系统的天体组合,它们其实都是相对稳定的,成员不会轻易离家出走永不回头的。基于这个基本事实,三体小说里大刘设定的矛盾之处就显而易见:
他承认三体星系是一个独立恒星系统,也就是禁止了任何一颗恒星会在一次乱纪元中离家出走永远不再回来,但是他又设定这三个恒星的相对速度很高以及改变运动状态的频率也很高,这两者都很高才能导致三体人无法进行足够精度的预测,那么在中学物理角度我们就发现,这么高的运动速度是和【三星系统成员长期保持稳定】矛盾的,因为只要其中有一颗恒星速度足够高,它就一定会离家出走(因为两外两颗恒星的那点万有引力根本拦不住它)。而这么高的运动状态改变频率又是三恒星之间那点可怜的引力加速度不能胜任的。
这就是为什么现实里的三星系统,无一例外都是类似半人马座这种【单恒星围绕一个双星系公转】的稳定模式,因为这个模式保证了星系内三个成员的人员稳定(没人回随便离家出走)。
而三体1里面说的那种三颗恒星速度很高、运动方向改变频率又很高,以至于三体人都无法近似预测它们的运转的情况,是违反天文学常识的。
正因如此,大刘在三体3里修正了这个事情,三体星系三星乱行是三体人通过某种伪造天象的手段(小说里没有明确提到具体是什么,可能大刘也觉得不容易给出成熟的解释,所以干脆没解释)给地球人伪造了【三体星系三星乱行】的假像(应该是只能让地球人看到的假像,目的可以有好多种:比如说让人类怀疑牛顿引力定律的正确性、比如说让人类相信三体人有生存危机,避免人类想到黑森)。
而歌者飞船的主核却可以确认【三体星系被摧毁前,只是一个普通的三星星系】(什么叫普通的三星星系,就是现实里半人马座那样单星围绕双星公转的稳定模式的三星星系),于是三体小说里就不存在违反天文学常识的设定了(实际上,如果三体星系真的三星乱行,被清理者看到后早就打击了,因为清理者也应该知道【邪乎到家必有鬼】)。
最后总结:为什么现实里我们都能预测太阳系天体的运动?因为它们既然已经是稳定属于太阳系的成员,那么他们必然不具备随时离家出走的资质,所以它们的运动速度一定在太阳引力的控制阈值之内,所以它们实际的运动速度都很低;而且因为太阳和这些行星之间互相提供的引力加速度都很小,不足够让任何一个天体频繁改变运动状态(比如说运动方向),因此我们可以预测(因为我们的观测频率足够高,也就是我们可以达到的观测和计算精度都足够高)。
对现实里的银河系内一切大天体来说,理论上来说我们都能预测它们的运动,因为它们的速度都足够低(没有太高的,否则早就飞出银河系了,银河系中心的引力也无法拦住它) 而且运动状态变化都不够快。
online_member 发表于 2023-2-7 12:23:19 | 显示全部楼层
谢邀,太阳系只有一个太阳。没有三个重量大小差不多的三个太阳做无规律的三体运动。
online_member 发表于 2023-2-7 12:23:44 | 显示全部楼层
太阳系中  太阳占总体的99%
其他都是太阳的行星
所以说你能说地球和月亮在做二体运动么?
如果按照你的说法  那三体世界加上三体星  那就是四体运动了
太阳系加上土星环里的卫星,那就是无数体运动了
online_member 发表于 2023-2-7 12:24:00 | 显示全部楼层
你提到的这些情况,基本都是伪三体问题
我们首先看一下二体问题。二体问题的解比较简单:
1.两个星球撞在一起。当然了,考虑到星球的速度和引力未必同方向,这个碰撞轨迹一般是抛物线,而非直线。例如,最近比较火的科幻片《流浪地球》中,地球被木星引力俘获后的轨迹就是抛物线。
2.两者围绕共同质心,作椭圆运动。这里又有两种情况:
1)两个星球的质量差异悬殊,则共同质心位于大质量星球内部。例如太阳和地球,可以理解为地球围着太阳转。
2)两个星球质量接近,则共同质心位于两者之间。例如大刘的《三体》中的半人马座α星,这个三体系统中的Alpha Centauri A和Alpha Centauri B,就是互相环绕,形成了一个双星系统。
3.两者擦肩而过,从此没有交集。这个轨迹对应数学上的双曲线
上面带着大家回顾了高中解析几何中的二次曲线章节,下面正式回答问题。
首先,三体问题有稳定解。

既然三体运动非常不稳定,那太阳系为什么能稳定存在?986 / 作者:浓茶人生 / 帖子ID:109385
最早发现的稳定解就是所谓的拉格朗日点。L1、L2、L3是欧拉发现的,L4、L5是拉格朗日发现的。
此后很多年,这个问题都没啥进展。直到Henri Poincaré于1892~1899年,对这个问题进行分析后,指出这个问题没有解析解。对初始条件的细小变化,都会导致结果的很大不同。这实际上就是后世所谓的混沌理论的开端。普通三体运动的不稳定性,也正是大刘《三体》设定的根本来源。
通解既然不存在,那么特解就成为了后来研究的重点。比如下图:

既然三体运动非常不稳定,那太阳系为什么能稳定存在?863 / 作者:浓茶人生 / 帖子ID:109385
但应该说,特解问题直到2010年,人们也就只找到了这三族解。注意这里的用词,是三族解,不是三个解。比如欧拉解是直线族,拉格朗日解是三角族,上图是8字族。
然后,大约是由于计算机的使用,这个进程大大加快。
2013年,新发现了13族解。
2014年,新发现了14族解。
2017年,新发现669个解。(不知道是不是不好找规律,这以后的记录都是N个解,而非N族解。)
2018年,新发现1223个解。。。
但是遗憾的是,到底有多少种特解,还是未知问题。。。
其次,幸存者偏差。
能稳定存在的结构,基本都满足特解条件。不满足的,要么相撞,要么擦肩而过。所以给你的感觉就是大家似乎都挺稳定啊。
最后,分析一下你题目中的情况。
三体问题实际上还有一个隐含条件:三体之间的互相引力作用不可忽略,否则就退化成二体问题了。
比如,太阳、地球、木星,表面看是三体问题,然而地球和木星的引力相比太阳和地球、太阳和木星来说,实在是太小了。因此这个三体问题,实际上是两个二体问题(太阳和地球、太阳和木星)。
半人马座α星也是类似的。Alpha Centauri A和Alpha Centauri B距离近,且质量大,所以这个力是最主要的。Alpha Centauri C质量较小,且距离前两者较远,它更像是围绕着前两者旋转的行星。力学分析上,一般把Alpha Centauri A和Alpha Centauri B合起来当作一个质点,所以这也是个稳定的三星系统,《三体》中所谓的恒纪元和乱纪元实际上是不存在的。
《三体》设定还有另一个硬伤。我们在二体问题中已经指出,两个星球离的太近,就会相撞。因此,双星系统中,两个恒星之间的距离一般是比较大的,起码比宜居带的半径大一个数量级。所以,如果有行星位于Alpha Centauri A的宜居带,那么Alpha Centauri B在它看来,也就是大号一点的月亮,晚上看个书没问题,取暖就想多了。

既然三体运动非常不稳定,那太阳系为什么能稳定存在?556 / 作者:浓茶人生 / 帖子ID:109385
最后,来一个四星系统的图。中间是两个大太阳的双星系统,外面有两个小太阳双星系统围着它们转。
<hr/>补充一个高中解析几何没有提到的冷知识。
上面提到,两个星球相撞的轨迹是抛物线,然而其实逃逸速度的轨迹也是抛物线。这个的原理是什么呢?
课本上告诉我们,抛物线只有一个焦点。但它没告诉我们的是:抛物线的另一个焦点在无穷远处。
逃逸时候的焦点是课本中提到的焦点,而碰撞时候的焦点在无穷远处。
<hr/>
既然三体运动非常不稳定,那太阳系为什么能稳定存在?401 / 作者:浓茶人生 / 帖子ID:109385
木星的轨道上存在两个与木星运行轨道及速率一致两群小行星,统称为特洛伊群,其中运行在木星“前方”的为“希腊群”,运行在木星“后方”的为“纯特洛伊群”。这两群小卫星所处的位置,即为上面提到的拉格朗日点L4、L5。
上图中紫色的部分是Hilda asteroid,它实际上是一群更有意思的小行星。它们的轨道是三角形的,与木星间形成2:3的轨道共振。希尔达小行星的远日点可能是L3、L4、L5这三个拉格朗日点。当其连续绕太阳旋转三圈,会相继通过这三个点。
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