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挑战经典难题 中国科学家提出求解“三体问题”周期轨道路线图
2022年06月20日 18:50   来源:中新网上海  

  中新网上海新闻6月20日电 (江倩倩 杨宇 许婧)牛顿1687年提出了著名的“三体问题”。三百余年来,“三体问题”得到国际学术界的广泛关注,成为历史上最著名的科学问题之一。上海交通大学20日发布消息称,近期,该校廖世俊教授和其博士生杨宇,以及暨南大学李晓明副教授在国际杂志New Astronomy发表论文,通过将“机器学习”与其发明的一种极高精度的数值算法相结合,提出了求解“三体问题”周期轨道的路线图,大大提高了计算效率,为获得“三体问题”海量、精确的周期轨道铺平了道路。

  科学家们一直在探索“三体问题”的奥秘。2009年,上海交通大学廖世俊提出一个获得混沌动力系统收敛轨迹的策略——精准数值模拟(Clean Numerical Simulation),简称CNS。CNS能将数值误差降到任意小,从而可获得混沌系统足够长时间内收敛的数值解,在理论上为准确获得“三体问题”的周期轨道铺平了道路。

  基于CNS,2017年廖世俊团队成功获得等质量的“三体问题”695类周期轨道;2018年廖世俊团队与上海交通大学物理和天文学院景益鹏院士合作,应用CNS进一步成功获得两个质量相等的三体系统1349类全新的周期轨道。

  任意不等质量的三体系统之周期轨道的获取更为困难。2021年廖世俊与暨南大学李晓明等合作,以一个已知的、具有相同质量的三体系统周期轨道为基础,成功应用CNS获得该三体系统任意不等质量的135445个周期轨道,将“三体问题”周期轨道数量增加了几个数量级,证实了CNS求解任意质量“三体问题”周期轨道(特别是长周期轨道)的有效性。值得指出的是,这135445个周期轨道很多是稳定的,其质量范围与2019年诺贝尔物理奖获得者麦耶(Michel Mayor)和奎洛兹(Didier Queloz)所发现的太阳系外第一个环绕类太阳恒星的行星相近,因此,这些周期轨道很有可能在宇宙中确实存在,今后有可能被观测到。

  2022年,为了进一步大幅提高计算效率,廖世俊、李晓明、杨宇将CNS结合机器学习(一种从数据中分析获得规律,并利用该规律对未知数据进行预测的算法),提出了一个获得“三体问题”周期轨道的路线图。从用传统方法获得的、很小质量范围内的周期轨道出发,基于机器学习和CNS一步步地获得更大质量范围内的精确周期轨道,直至找到该类周期轨道中所有不同质量的精确周期轨道。最后,对于(存在周期轨道的质量区域内)任意质量的“三体问题”,机器学习都能足够精确地预测其周期轨道之初始条件、周期。

  该论文2022年在国际天文学杂志New Astronomy上发表( http://www.57u.3366065.com/10.1016/j.newast.2022.101850),其相关机器学习程序和周期轨道可在GitHub( http://www.3838310.com/865/sjtu-liao/three-body)免费下载。

  按上述策略采用CNS获得的“三体问题”之周期轨道可达到极高精度:即使以宇宙直径为特征长度,其初始位置的误差也远小于物理学上最小的距离单位——普朗克长度。根据广义相对论和量子力学,我们无法对位置做出比“普朗克长度”还要小、还要精确的测量;而且,比“普朗克长度”更短的长度是没有物理意义的。因此,进一步提高周期轨道的计算精度没有任何物理意义,所以采用CNS获得的“三体问题”之周期轨道就是物理意义上的精确轨道。

  “三体问题”的解决,本质上依赖高性能计算机和数学方法。廖世俊等基于CNS和机器学习提出求解“三体问题”周期轨道之路线图,将计算效率提高了几个数量级,为获得“三体问题”海量的、精确的周期轨道铺平了道路。“三体问题”周期轨道的求解,证实了CNS求解复杂混沌问题的有效性和潜力。理论上,CNS可应用于N体问题周期轨道的求解以及湍流研究等,为星系演化、复杂湍流的精确数值模拟等提供了一个全新的研究工具。(完)

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编辑:许婧  

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