（原作者：賀飛鴻 叢越）三體文明存在嗎？在距離地球4光年之外的半人馬座上，有一個(gè)由三顆恒星和一顆行星所組成的恒星系統。這三顆恒星的質(zhì)量以及彼此之間的距離基本相等，在互相的引力作用下，它們的運行軌跡幾乎不可預測。但三顆恒星的光和熱在其行星上孕育了一種高級智慧文明——三體文明。 由于三顆恒星運行軌道不穩定，無(wú)法計算，三體行星上便出現了兩種紀年方法：恒紀元和亂紀元。當行星圍繞著(zhù)三顆恒星中的某一顆恒星運行時(shí)，溫度適宜，這便是恒紀元，只有在恒紀元，三體人才能繁衍生息，發(fā)展文明；當行星同時(shí)受到三顆恒星的引力作用時(shí)，溫度可能極冷也可能極熱，這便是亂紀元，亂紀元時(shí)候，三體智慧生命只能進(jìn)入休眠狀態(tài)以保存自己，即便如此，亂紀元也已經(jīng)讓他們的文明百余次毀滅于大火或冰凍中。 三體世界本來(lái)?yè)碛?2顆行星，但在漫長(cháng)的時(shí)間里有11顆被恒星吞噬，三體人居住的第12顆行星也即將被恒星吞噬。他們終于明白三體問(wèn)題不可解，只有飛向宇宙尋找新家園，才能讓三體文明持續下去。  終于有一天，三體人探知到了地球的存在，認定地球是一個(gè)他們可以長(cháng)久居住的樂(lè )土。于是，三體人的星際艦隊便以相當于光速的十分之一的速度向地球進(jìn)發(fā)。地球人也通過(guò)望遠鏡探知到了三體艦隊的存在，地球陷入一片恐慌之中…… 以上是我國當代知名科幻作家劉慈欣科幻小說(shuō)《三體》中的內容。最近幾年來(lái)，《三體》系列紅遍大江南北，被視為中國科幻文學(xué)的里程碑之作。伴隨著(zhù)《三體》小說(shuō)的熱銷(xiāo)，三體問(wèn)題也為眾多的讀者所熟知。劉慈欣在小說(shuō)里構造出了一個(gè)復雜而迷人的宇宙體系，但是，這樣一個(gè)忽然很規律、忽然很紊亂的三體系統在宇宙中是不存在的，即使存在，也會(huì )很快崩潰。所謂的行星，要么飛離恒星要么飛向恒星。如果要像三體中說(shuō)的那樣時(shí)近時(shí)遠，還能讓一個(gè)文明產(chǎn)生，幾乎是完全不可能的。 不過(guò)，小說(shuō)中提到三體問(wèn)題，倒還真是人類(lèi)科學(xué)家數百年來(lái)面臨的一個(gè)巨大難題。  難倒牛頓的世紀難題 自從牛頓提出萬(wàn)有引力定律以來(lái)，人們就很容易計算出宇宙中兩個(gè)天體在引力作用下的運動(dòng)情況，得到天體的運行軌道。但是，有第三個(gè)天體存在的話(huà)，情況就完全不同了，這三個(gè)天體之間的作用力關(guān)系就非常復雜以至于難以求解。而天體更多時(shí)，問(wèn)題就更加復雜了。 在實(shí)際的星空中，天體系統往往由很多天體構成，比如太陽(yáng)、地球、月球構成了“三體”，太陽(yáng)、冥王星以及冥王星的衛星“卡戎”也構成了“三體”，只由兩個(gè)天體構成的系統很少。不過(guò)，計算這些星體的運動(dòng)軌道時(shí)，完全可以按照兩個(gè)天體情況來(lái)計算，比如，計算地球的公轉軌道，就不必考慮月球的影響；計算月球的繞地軌道，也不必考慮太陽(yáng)的影響。 但是，如果真的遇到需要第三者的影響時(shí)，該如何計算呢？牛頓在攻克二體問(wèn)題后，立即著(zhù)手研究三體問(wèn)題。但由于難度太大，他計算到頭痛欲裂也沒(méi)能找到答案，于是謹言慎行的牛頓沒(méi)有留下任何關(guān)于這個(gè)問(wèn)題的論述。  其實(shí)，計算三體運動(dòng)的軌跡已經(jīng)是對物理實(shí)際簡(jiǎn)化得很厲害了，只需考慮質(zhì)點(diǎn)的運動(dòng)方程，而不必考慮其他因素?？茖W(xué)家們在研究天體運動(dòng)軌跡時(shí)，通常把天體當做一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)來(lái)看待，這就是“質(zhì)點(diǎn)”。但是，只要研究實(shí)際的地球運動(dòng)，就已經(jīng)比質(zhì)點(diǎn)復雜得多，地球別說(shuō)不是點(diǎn)，連球形都不是，粗略看來(lái)是個(gè)赤道上胖出來(lái)一圈的橢球體。于是，在月球引力下，地球的自轉軸方向就不固定，因此北極星也不會(huì )永遠是那一顆（天文學(xué)家們早已算出，4800年前，北極星不是現在小熊座α星，而是天龍座α星；未來(lái)到公元4000年前后，仙王座γ星將成為北極星；到公元14000年前后，天琴座α星織女星將獲得北極星的美名）。而在考慮潮汐作用時(shí)，地球都不能看成是“硬”的了，地球自轉也因此越來(lái)越慢。如果把這些問(wèn)題都考慮進(jìn)去，那么任何方程都無(wú)法精確計算出地球的運動(dòng)情況。 然而即使是極其簡(jiǎn)化了的三體問(wèn)題，從牛頓那時(shí)開(kāi)始，在隨后的200多年中，歐拉、拉格朗日、拉普拉斯、龐加萊等等數學(xué)大師們絞盡了腦汁也未能將它攻克。  千辛萬(wàn)苦找到特解 既然三體問(wèn)題難以解決，人們就開(kāi)始嘗試求解一些經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的三體問(wèn)題，即所謂的限制性三體問(wèn)題。我們考慮一種情況：兩個(gè)大質(zhì)量天體（比如太陽(yáng)和地球）相互繞轉，第三個(gè)天體的質(zhì)量小到可以忽略，但是這個(gè)小天體又處于兩個(gè)大天體引力的影響下，這就是限制性三體運動(dòng)。18世紀的法國數學(xué)家拉格朗日在這個(gè)問(wèn)題上做出了突破性的貢獻，他研究的是所謂的橢圓軌道限制性三體問(wèn)題，橢圓軌道是宇宙中天體運動(dòng)的常見(jiàn)軌道。 1767～1772年間，拉格朗日對限制性橢圓軌道三體運動(dòng)求出了五個(gè)特解，并由此計算出5個(gè)在三體系統中引力達到平衡的所謂“拉格朗日點(diǎn)”，如果把物體放到三體系統的拉格朗日點(diǎn)上，物體會(huì )保持相對靜止狀態(tài)。 這5個(gè)拉格朗日點(diǎn)簡(jiǎn)稱(chēng)為L(cháng)1-L5。其中，L1-L3都位于兩個(gè)大天體的連線(xiàn)或延長(cháng)線(xiàn)上，L1-L3都是不穩定的，也就是說(shuō)，如果這個(gè)點(diǎn)上的物體受到外界擾動(dòng)而偏離了這個(gè)位置，就不會(huì )再回到這個(gè)位置，而是日漸遠離。L4和L5分別位于較小天體繞較大天體運行的軌道上，與兩較大天體組成非常穩定的等邊三角形。當時(shí)限于觀(guān)測條件，這個(gè)計算結果無(wú)法驗證，不過(guò)100多年后，天文學(xué)家在太陽(yáng)系里找到了實(shí)例，那就是特洛伊小行星群，這些小行星分成兩組，分別在木星-太陽(yáng)系統的L4和L5上，和木星、太陽(yáng)恰好組成了兩個(gè)等邊三角形。自然界真的是讓人驚嘆！ 20世紀80年代，天文學(xué)家發(fā)現土星的衛星系統中存在著(zhù)好幾個(gè)類(lèi)似的等邊三角形。人們進(jìn)一步發(fā)現，在自然界各種運動(dòng)系統中（包括微觀(guān)運動(dòng)），都有拉格朗日點(diǎn)。甚至在地月系統中也存在，在月球軌道上，月球前后各60度同地球和月球距離成等邊三角形的兩個(gè)位置存在兩片非常稀薄的氣體云，那兩片云與月球一同繞地球旋轉，并永遠和地球、月球保持這種等邊三角形的關(guān)系。  三體系統的“蝴蝶效應” 拉格朗日找到了幾個(gè)有限的特解，那么，三體問(wèn)題能找到通用解嗎？1885年，酷愛(ài)數學(xué)的瑞典國王奧斯卡二世懸賞征求太陽(yáng)系的穩定性問(wèn)題的解答，這其實(shí)是三體問(wèn)題的一個(gè)變種。來(lái)自法國的一位只有33歲的年輕學(xué)者龐加萊接受了這一挑戰，由于這一問(wèn)題是如此的復雜，他決定也像拉格朗日從較為簡(jiǎn)單的限制性三體問(wèn)題著(zhù)手研究，試圖突破特解，找到普遍性的通用解。（原作者：賀飛鴻 叢越）但是在研究過(guò)程中，龐加萊發(fā)現，這幾乎是不可能的事。經(jīng)過(guò)整整三年的努力，他斷定這個(gè)問(wèn)題無(wú)法完全解決，決定收工。龐加萊把自己的研究成果寄到論文評審委員會(huì )，在論文開(kāi)頭寫(xiě)了一句：“繁星無(wú)法超越?！?br>龐加萊沒(méi)有解決三體問(wèn)題，但他還是由于對這個(gè)問(wèn)題作出的貢獻，而于1888年獲得了瑞典國王的獎金。 事情沒(méi)有結束。在后續研究中，龐加萊發(fā)現，三體問(wèn)題無(wú)法解決的根源在于：在三體系統中，由于引力的互相干擾，某個(gè)天體的初始數據只要有很小的變動(dòng)，后來(lái)的狀況可能就會(huì )有極大的不同，計算結果也會(huì )出現無(wú)數的不同，這就導致了計算結果的毫無(wú)意義。當時(shí)，龐加萊試圖畫(huà)出一些運動(dòng)軌道，卻發(fā)現那些圖形復雜、混亂到無(wú)法畫(huà)出的地步！ 這其實(shí)是一個(gè)典型的混沌系統，混沌系統會(huì )將初始條件的最細微的差別無(wú)限放大，隨著(zhù)時(shí)間的推移，這最開(kāi)始的一點(diǎn)變化會(huì )使整個(gè)系統的運動(dòng)完全不同，讓我們無(wú)法計算。就像那句描述混沌理論的名言：“一只巴西熱帶雨林中的蝴蝶扇動(dòng)幾下翅膀，可能在美國德克薩斯州引起一場(chǎng)龍卷風(fēng)?！比w問(wèn)題也是如此。 混沌理論是20世紀繼相對論和量子力學(xué)以后基礎科學(xué)的第三大重要成果，但龐加萊通過(guò)對三體問(wèn)題的研究，證明了系統初始條件的敏感性，這是混沌理論最早的研究。  超出想象的星球軌道 從牛頓到龐加萊，那些天才的數學(xué)大師做了各種嘗試，終于承認，不可能找到三體問(wèn)題的一般解，只可能找到特殊解（特定條件下的特殊軌道）。 但是特殊解也很難得到，找到任何一類(lèi)解都面臨重重困難。三個(gè)物體在空間種有無(wú)數種陳列方式，必須要找到合適的初始條件（如起始點(diǎn)，速度等），才可以讓體系重新回到起點(diǎn)重復運轉。拉格朗日最早提出了一些解后，而直到20世紀70年代后，科學(xué)家才在現代計算機的幫助下找到了一些新解。拉格朗日發(fā)現的那種，是三個(gè)等距的物體在橢圓形軌道中旋轉，和旋轉木馬一樣；而新發(fā)現的有一種叫8字型，三個(gè)物體在8字形的軌道中相互追趕；還有一種更復雜，兩個(gè)天體在軌道里層來(lái)返往復、橫沖直撞，其軌跡就像一團亂麻，第三個(gè)天體卻比較規矩地在外層旋轉。 又經(jīng)過(guò)了幾十年的探索，不久之前，科學(xué)家又找到了三體問(wèn)題的更多特解。這些特解的軌道都很怪異，其中有一種的軌道復雜多變，看上去就像是一大團亂糟糟的面條，不過(guò)三體從初始條件出發(fā)，經(jīng)過(guò)這亂糟糟的“面條軌道”，依然能夠回到初始狀態(tài)。 這些奇怪的運動(dòng)軌道在現實(shí)宇宙中能否找到呢？到目前為止，我們除了在太陽(yáng)系中發(fā)現了拉格朗日所計算的三體類(lèi)型外，其他類(lèi)型都還是理論模型?？茖W(xué)家猜測，那些奇形怪狀的三體系統只有在密集的球狀星團中才可能出現，而那里的恒星太密集了，幾乎沒(méi)有產(chǎn)生行星的空間，更不要說(shuō)誕生生命了?！度w》作為小說(shuō)，設定一個(gè)擁有高超科技的三體文明是可以的，但沒(méi)什么科學(xué)根據，小說(shuō)中描述的三體行星上的景象在宇宙中是不可能出現的。 半人馬座α星 是三體嗎？ 不過(guò)，上文提到的“三體人”所居住的恒星系統還真有“生活原型”，這就是半人馬座α（南門(mén)二）三合星系統。半人馬座α由三顆恒星組成，其編號分別為A星、B星和C星，其中半人馬座α星C被命名為“比鄰星”，是距離太陽(yáng)最近的恒星之一，距離為4.22光年。由于半人馬座α星系統距離地球很近，因此許多科幻小說(shuō)都描述這里擁有與地球截然不同的世界和宇宙生物，存在著(zhù)發(fā)達的宇宙文明。令人震驚的是，就在2012年，天文學(xué)家竟然發(fā)現了在半人馬座α星系統很可能有一顆地球大小的行星，圍繞著(zhù)其中的B星公轉。不過(guò)遺憾的是，據計算，這顆行星上一年的周期僅有3天多，這說(shuō)明該行星的公轉軌道離它的“太陽(yáng)”距離十分近，就像是我們水星的“超級沸騰”版，根本不可能有生命存在。 這個(gè)三體系統為什么如此穩定、并沒(méi)有小說(shuō)所描述的那樣混亂呢？事實(shí)上，半人馬座α并不是很標準的三體系統，而是一個(gè)雙星系統加一個(gè)衛星恒星而已，是一種以2+1形式存在的“三體系統”。A星和B星以一個(gè)偏心率較大的橢圓軌道互相圍繞旋轉，公轉周期為79.9年。較小的C星（比鄰星）則在遙遠的0.2光年之外以50萬(wàn)年以上的周期圍繞A、B星的質(zhì)量中心緩慢公轉，由于比鄰星離A、B星實(shí)在是太遠了，最后很可能飛離半人馬座α星系統。也有科學(xué)家認為，比鄰星本來(lái)就是個(gè)過(guò)客，當然會(huì )要離開(kāi)α星繼續在宇宙中漂流了。 天上有兩個(gè)太陽(yáng) 如果半人馬座α星系統真像小說(shuō)中所說(shuō)的那樣，有一顆距離A、B星適中的、跟地球大小相似的行星，毫無(wú)疑問(wèn)，其運行軌道不會(huì )那么瘋癲，而是跟地球一樣很穩定。如果我們身處在那樣的行星，會(huì )看到怎樣一幅圖景呢？ 喜歡《星球大戰》的讀者大概會(huì )記得天行者盧克的家鄉塔圖因，那是一個(gè)有著(zhù)兩顆橙色太陽(yáng)照耀的星球，雙倍的陽(yáng)光使得塔圖因成為一個(gè)沙漠的世界。很顯然，塔圖因是在圍繞著(zhù)一對雙星運轉，在那里，人們肯定說(shuō)不出“天無(wú)二日”這樣的話(huà)。但是，在那樣的雙星世界里真會(huì )有塔圖因這樣的行星嗎？ 在宇宙中，像太陽(yáng)這樣孤獨的恒星是少數，多數的恒星都是兩個(gè)或兩個(gè)以上匯聚在一起，組成雙星或者聚星。多年來(lái)，天文學(xué)家一直認為雙星系統不會(huì )擁有行星，因為在雙星系統中，行星很可能不是被其中一顆恒星吸進(jìn)去就是被甩到宇宙空間。但隨著(zhù)觀(guān)測技術(shù)的不斷提高，天文學(xué)家已經(jīng)在越來(lái)越多的雙星系統中發(fā)現了行星。 在那里運行的行星確實(shí)比較復雜，其軌道分為兩種：一種是在外圍同時(shí)繞兩個(gè)恒星運轉，稱(chēng)為外圍軌道；一種是只繞其中一個(gè)恒星運轉，稱(chēng)為內部軌道。 在外圍軌道上運轉的行星，如果距離雙星非常遙遠，就是大外圍軌道，這時(shí)行星將會(huì )沿橢圓形軌道同時(shí)繞這兩顆恒星運行，跟地球繞太陽(yáng)旋轉沒(méi)什么區別。盡管天上總是有兩顆太陽(yáng)同時(shí)照耀，但由于距離非常遙遠，這顆行星無(wú)疑會(huì )和冥王星一樣寒冷。行星如果很靠近雙星，就是小外圍軌道，遍布沙漠的炎熱的塔圖因就是這一類(lèi)行星，兩顆太陽(yáng)會(huì )如同《星球大戰》中演的那樣結伴同升同落。有意思的是，近距離圍繞雙星的行星，其所受的雙星引力開(kāi)始變化無(wú)常起來(lái)，這時(shí)行星的運轉必須與雙星繞轉的方向相反，逆向而行，否則整個(gè)系統將無(wú)法穩定存在，行星不是被恒星吞了就是要飛出去。因為行星在順行時(shí)會(huì )被雙星帶著(zhù)猛跑，結果無(wú)法控制自己，最終導致失衡。 穿行于兩個(gè)太陽(yáng)之間 到目前為止，科學(xué)家還沒(méi)有發(fā)現這種在外圍軌道上運轉的行星，在雙星系統中所發(fā)現的行星都屬于是在內部軌道上運轉的行星，就是說(shuō)，行星穿行于兩顆恒星之間，但只圍繞其中一顆恒星運轉，離另一顆比較遠。半人馬座α三星系統的行星就是圍繞B星運轉的。如果雙星系統中兩顆恒星的距離比較近，行星穿梭其中時(shí)，很可能遭受兩顆恒星的引力拉拽，被撕裂而化成一片飛灰。 我們想象一下，如果我們生活在這樣一顆行星上，天空上是不是同樣有兩個(gè)太陽(yáng)呢？情況有點(diǎn)不一樣，我們看到另一顆較遠的恒星像是一顆明亮的“飛星”，當“飛星”最亮的時(shí)候，可以看到它是一個(gè)小太陽(yáng)。最暗的時(shí)候，看上去就是一顆非常亮的星星，但亮度仍然到了刺目的地步，不能用眼睛直視。如果太陽(yáng)下山了，“飛星”還沒(méi)下山的話(huà)，“夜空”仍然非常明亮，在“飛星”的照耀下，天空和大地仍然沐浴在一片溫和的橙色光輝中。只有當“飛星”也下山了，真正的夜晚才來(lái)臨，點(diǎn)點(diǎn)繁星灑滿(mǎn)了夜空。 兩顆恒星同行星三者之間組成一個(gè)正三角形的情況也會(huì )出現，根據拉格朗日在“三體問(wèn)題”中的證明，它們將始終保持正三角形的相對位置不變，就如同特洛伊群同木星和太陽(yáng)的關(guān)系一樣，這種情況下，在行星上我們看到的又是一大一小兩個(gè)太陽(yáng)了。 我們目前考慮的都是一顆行星和雙星間的關(guān)系，如果一個(gè)雙星系統有更多行星會(huì )是什么情況呢？這就相當復雜了，我們以太陽(yáng)系為例來(lái)看看。我們經(jīng)常說(shuō)如果木星大一些的話(huà)，太陽(yáng)系就可以成為一個(gè)雙星系統，如果真是如此的話(huà)，我們的太陽(yáng)系就是一個(gè)帶著(zhù)很多行星的雙星系統。這樣，我們的地球和水星、金星、火星就是屬于內部軌道運轉的行星，也就是說(shuō)只繞太陽(yáng)，不繞木星；海王星和更外的行星是大外圍軌道，同時(shí)繞太陽(yáng)和木星兩顆恒星轉。至于土星，由于離木星很近，屬于小外圍軌道，無(wú)法穩定存在的。目前的木星是行星，對土星產(chǎn)生不了什么影響，但如果木星真的成了恒星的話(huà)，至少會(huì )比現在大80倍，從而土星產(chǎn)生巨大影響，土星會(huì )被木星巨大的質(zhì)量所吸引，一頭撞進(jìn)木星的懷抱。介于土星和海王星之間的天王星，則看木星質(zhì)量到底多大才能決定生存的可能。 星空出人意料 至于多了一顆恒星照耀的行星是否能產(chǎn)生文明，就有待商榷了，不過(guò)可以料想的是，如果那樣的行星上真的產(chǎn)生了文明的話(huà)，它的天文學(xué)和物理學(xué)發(fā)展肯定會(huì )比較慢。因為那里白天長(cháng)黑夜短，那里的科學(xué)家恐怕積累不了太多的觀(guān)測資料，而缺少足夠的星空資料，天文學(xué)的發(fā)展就無(wú)從談起。另外，雙星系統中行星的運轉都過(guò)于復雜，那里即使產(chǎn)生了開(kāi)普勒這樣科學(xué)大師，恐怕窮其一生都分析不出開(kāi)普勒三定律，而沒(méi)有開(kāi)普勒三定律為基礎的話(huà)，牛頓就算被1000只蘋(píng)果打破了頭也創(chuàng )立不了萬(wàn)有引力定律，沒(méi)有萬(wàn)有引力定律，他們又怎么能計算星空？ 不過(guò)，天文學(xué)家對于雙星系統為什么能夠存在行星感到好奇，因為從行星形成理論上，雙星系統在形成之初，它們的引力會(huì )彼此干擾，使得塵埃和氣體沒(méi)有機會(huì )凝聚起來(lái)形成行星，接下來(lái)，兩大恒星再把這些物質(zhì)清掃一空。相應的太陽(yáng)系里的例子是，木星內側的小行星帶里，就沒(méi)能形成一顆大行星，而木星還時(shí)不時(shí)把一些倒霉的小家伙拉過(guò)來(lái)變成衛星或者干脆吃下去。如果木星足夠大，大到成為另一顆恒星，那么木星內側水星、金星、地球和火星都將不存在。 有科學(xué)家指出，雙星系統中的行星可能都不是一開(kāi)始形成的，而是后來(lái)從別處俘獲的。宇宙中有一些無(wú)家可歸、獨自流浪的行星，它們如果漂浮到一個(gè)雙星系統附近，就會(huì )被雙星俘獲。如此看來(lái)，我們對恒星和行星的形成機制還需要進(jìn)一步認識，浩瀚的星空還有很多秘密等待我們去揭開(kāi)。 |
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