新研究：“醉汉移步”理论可解“三体问题”

三体问题是物理学上经典的难题之一，探讨的是三个天体之间，比如太阳、地球和月亮之间的引力如何影响它们各自的轨道。一份新研究称为这个问题找到了完整的解答。

17世纪末，著名科学家牛顿（Isaac Newton）用万有引力定律解释了行星绕行太阳的规律，发现任何两个天体之间的轨道规律都可以用数学公示准确地表达。可是，他发现如果有第三个天体加入到这个系统中，那么它们之间的轨道互动问题就变得很复杂。的确，至今大约400年来，科学家还没能提出一个清晰的公式可以描述三体互动的规律。

在牛顿之后，多位科学家都尝试钻研这个问题。1989年，瑞典国王奥斯卡二世（King Oscar II）饶有兴致地悬赏征求这个问题的解决方案，作为他60岁生日的贺礼。最后，法国数学家亨利·庞加莱（Henri Poincaré）获奖。但是，人们之前普遍认为这个问题会有确切的答案，庞加莱提出的理论彻底打破了这个观念——他证明了这个问题的结果是随机的，只能用概率来表达。不过，他的想法为这个问题开辟了新的研究方向，科学家把它叫做混沌理论（Chaos theory）。

科学家用电脑模拟三体的互动并对其进行观察，最常见的情形是一个稳定的双星系统（两颗恒星彼此绕行的系统），在遇到外来的第三颗恒星的时候三个天体互动后的结局。科学家发现这个过程分为两个阶段。第一个阶段就是所谓的混沌阶段：三个天体彼此之间的引力作用，导致其中一颗恒星被从系统中弹射出去。如果它还沿着一个椭圆轨道上绕着剩下的两颗恒星运转，那它过一段时间它后还会回来，再加入双星系统，再进行一次三体的互动，也就是再开始一次混沌阶段的演化。直到某一次，其中一颗恒星彻底地离开这个系统，再也不会回来，这就是第二个阶段。

现在，以色列理工学院（Technion-Israel Institute of Technology）教授海盖·佩雷茨（Hagai Perets）与博士生约纳达夫·巴里·吉纳特（Yonadav Barry Ginat）共同完成的新研究，利用随机概率为这两个阶段提供了统计学的解决方案。

他们能够算出第一阶段出现每一个结果的可能性，整体而言，他们使用“醉汉移步”（drunkard’s walk）理论描述整个三体互动的过程。这个理论来自数学家为一类随机问题起的名字，意即这个随机过程就像喝醉酒的人下一步不一定迈向哪个方向。

佩雷茨和吉纳特认为，三体问题和“醉汉移步”理论是同样的道理。每一次三个星体聚会，都无法确定地预计哪颗恒星会被抛出系统。其中随机会有一颗恒星被抛出，之后又回来，再随机地会有一颗恒星被抛出（可能是与之前被抛出的是同一颗恒星，也可能是另外一颗恒星），抛出的方向也是随机的，都无法预知。就像醉汉的步伐，下一步迈出哪条腿、向哪个方向走，都是随机的。直到一颗恒星彻底地离开这个系统，这个问题就终结了，研究打比方说，就像“醉汉摔进一条沟里”。

研究人员说，这个世界中其实很多问题都是类似的情形，就像天气预报，现在的计算机和各种探测设备很先进，使用各个渠道的信息进行大量的计算，可是人们经常还会发现：预报说70%的概率下雨，结果是个大晴天。也就说，天体变化也是这样的系统，是只能用各种各样的可能性进行描述的数学问题。

研究者表示，从近年的研究来看，这个多阶段、三体互动问题已经从统计学的角度得到了完整的解答。这些理论对于研究星体之间、黑洞、中子星、白矮星之间的互动都有重要意义。