理论教育 宇宙的规则:科学版三体

宇宙的规则:科学版三体

时间:2023-11-05 理论教育 版权反馈
【摘要】:为什么在中文版中就只叫“三体”呢?叫“三体”,给人以无限遐想和“瞎”想的空间,很有科幻、玄幻、奇幻的意味;如果叫“三体问题”,就显得过于严肃,有点拒人于千里之外的感觉,所以叫《三体》真的很好。三体,是天体力学中的基本模型,用来研究三个天体在万有引力作用下相互之间的运动规律。不,它确是科学界的大问题。让我们回顾一下科学版的三体问题。

宇宙的规则:科学版三体

一、引子

虽然笔者是在小说获奖后才知道这本书的,但还是聊得神清气爽、脑洞开。当我第一次听到《三体》这个名字时,心中就一动,莫非它就是指传说中的三体问题?还是基督教里的三位一体?当我看到《三体》的英文版就叫《Three-Body Problem》时,我顿感如释重负,它正是大名鼎鼎、威名赫赫、令无数英雄竞折腰的三体问题。

为什么在中文版中就只叫“三体”呢?叫“三体”,给人以无限遐想和“瞎”想的空间,很有科幻、玄幻、奇幻的意味;如果叫“三体问题”,就显得过于严肃,有点拒人于千里之外的感觉,所以叫《三体》真的很好。那英文版为什么不直接叫“Three Bodies”,而要画蛇添足地叫《Three-Body Problem》呢?大多数人都晓得,Body的意思比较多,比如身体、肉体,还有尸体,若叫Three Bodies,是不是感到很恶心、很恐怖呢?于是乎《Three-Boody Problem》,显得那么雅致而又庄重。其实,三体问题还真是一个很大的学术问题,数学界、物理学界一直在苦苦追索、探求,在其上栽倒的数学家、物理学家不计其数。

三体,是天体力学中的基本模型,用来研究三个天体在万有引力作用下相互之间的运动规律。拓展开来就是多体问题、N体问题,去研究N个天体在万有引力作用下的运动规律。

二、多体问题:一体到三体

小说中引入三体问题的方式很讨巧,不但通俗易懂,而且还很有画面感。

数学天才魏成感到人生无聊,来到寺院寻求解脱,方丈嘱咐以“空”之理念。当晚,魏成在寺院的小屋中辗转难眠,开始用“空”来填充自己,于是在意识中创造一个“空”的无际太空,然后又在这无限的空间创造了一个球体,那球体悬浮在“空”的正中,没有任何东西作用于它,它永远不会运动。

此时魏成所想的就是N等于1的情况,也就是一体问题,大家都知道一个物体在真空中不受任何作用力,就会保持原来的运动状态,要么静止,要么匀速运动,保持惯性,保持它一贯的特性,这就是大家永生难忘的牛顿第一定律。其实,静止和匀速运动是一回事,就看你怎么选择惯性系了。公共汽车在大街上匀速运动,这是以大街为参照系的;若以公交车的车座为参照系,那公交车就是静止的。

接着看小说里的魏成,他嫌一个球体太寂寞,于是创造出了第二个球体,与原来的球大小相等。如果没有初始运动,它们很快会被各自的引力拉到一起。如果有初始运动且不碰撞,它们就会在各自引力作用下相互围绕对方旋转。

此时魏成所想的就是N等于2的情况,即所谓二体问题。太阳和地球就是一个二体问题。有人会说,太阳系里还有其他行星,为什么能将之看作二体呢?问得好,严格来说这太阳系的确是个N体问题,至少是太阳加上八大行星的九体问题。但是太阳质量太大了,其质量是其他星体质量总和的七百多倍,也就是说太阳系中所有行星质量加起来的总和还不到太阳质量的七百分之一。大家都知道,质量越大,引力就越大,这样我们在考虑地球和太阳的关系时,就可以忽略其他星体的引力了,于是就成了二体问题。二体问题在数学中好处理,其物理图景很清晰,轨道一般是椭圆,也有双曲线抛物线

如此简单的物理图景,令数学天才魏成觉得不过瘾,于是引入第三个球体,具有三球的宇宙陡然间复杂了起来。三个被赋予了初始运动的球体在太空中进行着复杂的、似乎永不重复的运动,无休无止。这个三体问题,他开始想不通了。为什么呢?魏成不是数学天才吗?

书中主人公汪淼解释得很形象:三体世界中的太阳,为何没有运动规律呢?是因为这个世界中有三颗太阳,它们在相互引力的作用下,做着无法预测的三体运动。当行星围绕其中的一颗太阳做稳定运动时,这是恒纪元;当另外一颗或两颗太阳运行到一定距离内,其引力会将行星从它围绕的太阳边夺走,使其在三颗太阳的引力范围内游移不定,这是乱纪元;一段不确定的时间后,我们的行星再次被某一颗太阳捕获,再建立稳定的轨道,恒纪元就又开始了。这好似一场宇宙橄榄球赛,运动员是三颗太阳,橄榄球就是这颗行星。

紧接着,书中富有想象力地讲道:三体世界存在于半人马座星系,那里就有三个太阳,经历着几百次灭绝重生的轮回,希望解决三体问题,也就是得出三体的精确解,给出三体的万年历,这样三体中生活的生命,就可以根据规律决定他们何时脱水、何时复苏,过上正常的生活,从而不必大规模宇宙移民。但这些三体人一次次地失败了,尽管他们科技已经非常发达,却解决不了三个太阳的运行规律。于是他们开始寻找可以进行大规模移民的星球。

说到这里,笔者不由得想到了我们人类的世界,多好啊。看看地球,多乖,每天不但老老实实地自转,还毫无怨言地绕着太阳转,福气啊。我们太阳系的主要星星大多很乖,老大太阳,乖;八大行星,一个比一个乖;大个头彗星。比较乖;小行星,有点不乖,就是有些流星不太乖,但无伤大雅。我们的太阳系真是太美好了。

三体运动如此复杂而混乱,这是大刘凭空想象出来的吗?不,它确是科学界的大问题。让我们回顾一下科学版的三体问题。

三、三体问题的历史

早在17世纪,牛顿就提出了三体问题,并且想具体研究一下太阳、地球、月球这个三体系统的运动规律,结果牛顿这么厉害的人,竟然是铩羽而归,搞不定,想破了头,都解不出它们之间在万有引力作用下的运动规律。

在随后的两百多年中,多少数学家、物理学家乘兴而来、败兴而归,三体成了老大难问题。再后来到了19世纪后半叶,德国数学家布伦斯、法国数学家庞加莱等人证明,就不可能找到三体问题的通解。

找不到通解,那我们就求近似解,求在某个特定时间点的数值解。按照这个路子,庞加莱最终发现,这也是不可能的。因为在三体系统中,由于引力之间非线性的互相干扰,即使初始数据有极微小的偏差,随着时间的演化其轨道也会截然不同。人类采集初始数据即使再精确,也不可能一点不差。只要差一点,你算出来的轨道就和实际轨道完全不一样,这就意味着想求得三体问题的近似解也是不可能的。

说到这里,估计已经有人反应过来了,三体对初值的高度敏感性。不就是混沌现象吗?不就是笔者曾经讲过的蝴蝶效应吗?的确是,而且我在《第一章蝴蝶效应》中就提到过三体问题。(www.daowen.com)

2-1 儒勒·昂利·庞加莱

庞加莱,他在现代数学史上占有举足轻重的地位,被称为现代数学的两个奠基人之一,另一个是黎曼;他还被称为历史上精通当时所有数学的最后两个人之一,另一个是希尔伯特。那有人会问,现在咋没有这种人了?难道今人还不如古人吗?当然不是,因为学科发展越来越精细化,别说隔行如隔山,就是隔一个子行都如隔山。例如,日本为何在二战时坚信其所用的紫色密电码的保密性极高?就是因为请教过日本当时著名的数学家高木贞治,他说这个密电码具有无穷的组合,是永远无法破解的,绝对可靠。结果让日本海军彻底栽进去了,这就是不懂乱说造成的后果。高木贞治是搞代数的,怎么可能了解密码学中的道道呢?你当你是庞加莱,还是希尔伯特呢?

庞加莱通过研究三体,严格证明了系统对初始条件的敏感性,这是人类对混沌理论最早的研究。可惜他没有深入钻研下去,也没有发明混沌或蝴蝶效应这种抓人心的词儿,所以现在一说起混沌、蝴蝶效应,一般都归功于气象学家洛伦兹了。此处不再多说。

关于混沌的不可预测性,《三体》小说中有这样一个场景,主人公汪淼又一次进入三体游戏。在游戏里,有个科学顾问对汪淼说:已经确切证明,三体问题无解,三体是一个混沌系统,会将微小的扰动无限放大,其运动规律从数学本质上来讲是不可预测的。而游戏中的爱因斯坦愤愤地说:上帝是个无耻的老赌徒,他抛弃了我们。

看到这儿,我有些皱眉头了,大刘啊,爱因斯坦怎么可能说出这样的话?

首先,混沌是个伪随机现象,表面上是随机的,但实质上是决定论的,这一点爱因斯坦怎么会不晓得?其次,爱因斯坦是决定论的信仰者,连量子力学的哥本哈根学派所认定的微观粒子的真实随机性都不相信,怎么会认为上帝是赌徒呢?

有人会说,你是不是有点儿较真了?这只是小说中编写的一个情节,而且还是小说中游戏的情节,又不是爱因斯坦真的如此说过,至于如此吹毛求疵吗?至于,绝对至于。

作者在整部书中,尤其在三体游戏里,所涉及的人物语言大多是自己编造的,但都在追求符合原人物的思想特点、行为特征。比如,书中的周文王试图用六十四卦来解读宇宙密码,预测三体的运行规律,我耳边仿佛想起了曾经的晨读课文“文王拘而演周易”。如果让周文王拿个魔方,来推演三体运动,岂不成了恶搞?而书中的孔子创造了一套三体的礼制系统,企图据此预测太阳的运行。这样说就很贴切,能令我会心一笑,仿佛主张“克己复礼”的孔老夫子跃然纸上。大家试想想,如果孔子一出来就说三体运动就是法、术、势,韩非子岂不喷饭?墨子是玩技术、玩光学的,所以书中就说墨子认为宇宙是个大机器,还制作了一个宇宙模型,试图模拟出三体未来的状态。说得很到位,很贴切,如果书中说墨子是坐而论道,口中念念有词地说:我心即是宇宙,宇宙就是我心。那你到底是在说墨翟,还是在说陆象山、王阳明呢?即便爱因斯坦在书中粉墨登场,也是抱着小提琴,这就很符合真实的小爱好,你非让爱因斯坦拉二胡,拉“二泉映月”,恐怕阿炳也消受不起啊。

举了这么多例子,是想说明,虽然是科幻,虽然是科幻中的游戏,但所编撰的人物语言和行为也要尽量符合真实人物的思想特点,这一点大刘非常懂得,而且也运用得非常好。但,智者千虑必有一失,让爱因斯坦说“上帝是赌徒”,这是非常非常不恰当的,那让谁说?当然是波尔了,这位坚信上帝是掷骰子的人。掷骰子,啥东西?波尔的思想在此不细说,以后专门讲量子理论时再好好聊他。

好了,我们把话题转回来,还是继续说三体。

四、三体问题还是四体问题

小说中就是根据三体问题的原理,进行了这样的构建:在距离地球四光年的半人马座,有一个由三颗恒星和一颗行星所组成的系统。所谓三颗恒星就是三个太阳,其中的行星发展出一个高等文明,就是所谓“三体文明”,这些高级生命就称为“三体人”。三体人为了搞清楚三个太阳的运行规律,进行了前赴后继的努力,终于明白这三个太阳的运行轨道是混沌的,是无法计算的。自己的行星只能在这个系统里上蹿下跳、忽东忽西,一天到晚跟个没头苍蝇似的。三体人因此饱受煎熬,时而三个太阳都关照他们,热得要死;时而都远离他们,冷得要命。更可怕的是,他们自己的行星迟早会被这些太阳吞噬,移民其他星球是唯一的活路。

讲到这里,大家或许发现了一个问题,小说构建的系统是三个恒星和一个行星,也就是说,书中所基于的是四体问题,而不是三体。这能不能算作小说中的一个小问题呢?也算也不算,三体中都有了混沌,那四体中绝对是超混沌,也就是说,无论三体还是四体,都有着同样的原理:运行轨道无法预测。

五、三体游戏

《三体》书中对三体问题和三体世界的引入非常巧妙。如果直接讲三体问题,估计太学术,虽然是硬科幻,也不能硬得让人啃不动;或者直接引入半人马座的三体世界,又令人感到太虚幻,有一种凭空杜撰、不接地气的感觉。

而小说以三体游戏来切入,真的是匠心独运。既然是游戏,读者就不会当真,心态比较放得开。而且游戏中的人物都是大家耳熟能详的,商纣王、周文王、伏羲、孔子、牛顿、冯·诺依曼等,这在不经意间,就将中国传统文化与西方文化交融其中。

文中通过主人公汪淼玩了三四次游戏,就将一个生动而又残酷的三体世界活灵活现地呈现在读者面前了。而书中还不断强调,这三体游戏令玩家觉得其设计者有特殊的隐藏目的。这令读者急欲求索、欲罢不能,也为后来三体世界的出现做好了铺垫。

这样,当真实的三体世界粉墨登场之际,虽在读者预料之外,却在情理之中了;而三体游戏正是地球上的内奸用于发展组织成员的一种手段,壮大自己的组织,更好地效忠于三体世界。

因为三体游戏坚实的铺垫,真实的三体世界对读者来说就不再空洞、陌生,而是一个丰润饱满的世界了,看着很亲切,好像接触过很多次。也即是说,游戏的内容终于落地,在这个基础上,三体世界欲移民地球,同时担心地球科技超过自己,从而制造智子来控制地球科技的精彩画卷,就很自然地一幅幅展开了,科言幻语,美不胜收。

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