300多年过去了，“三体问题”有解了吗

岁末年初，《三体》《流浪地球2》等科幻影视作品中的行星发动机、太空电梯，引发了人们对科幻造梦、科学圆梦的讨论。科学与科幻“你来我往”、互为灵感并非新鲜事。有1000部科幻作品，就有1001个科学问题。今起本报推出“科幻开脑洞 科学找答案”栏目，以科幻为经、科学为纬，绘就人类在科学上钻研、在科幻上畅想的图景。

“它是三体纪念碑，也是一个墓碑。”

“墓碑？谁的？”

“一个努力的，一个延续了近二百个文明的努力，为解决三体问题的努力，寻找太阳运行规律的努力。”

“这努力终结了吗？”

“到现在为止，彻底终结了。”

“已经确切地证明，三体问题无解。”

……

在刘慈欣的小说《三体》里，“三体问题”作为“三体人”远征的原初动力，推动了小说的发展。确切地说，正是由于“三体问题无解”，“三体人”才不得不向地球出发。

随着《三体》动画版及真人版相继播出，既古老又崭新的“三体问题”也再度进入大众视野。如今，“三体问题”已提出300多年，《三体》问世也十年有余，科幻在进步，科学家求解“三体问题”有哪些进展？

“二体问题”解决了，然后呢？

“三体问题”究竟是什么？它为何如此重要，让无数科学家为之着迷？

在小说《三体》里，“三体人”生活在由三颗恒星组成的三体系统中，恒纪元与乱纪元毫无规律地交替出现。换句话说，在“三体人”的星球上，三颗太阳并不会“照常升起”，而是时有时无，不定时出现。无法破解“三体问题”奥秘的“三体人”只能不断脱水、浸泡，艰难生存。

“三体人”的困境是“三体问题”的一个极端案例。从科学角度说，“三体问题”是天体力学中的基本力学模型。它是指三个质量、初始位置和初始速度都是任意的可视为质点的天体，在万有引力作用下运动的规律问题。

想理解“三体问题”必须回到问题的起点，回到牛顿时代，回到更基础的“二体问题”——两个天体如何运动？有何规律？

300多年前，据说因一颗苹果落地，牛顿发现了万有引力。在万有引力定律、牛顿力学定律的基础上，牛顿解决了“二体问题”：行星绕太阳运动的轨迹是一个能够用数学公式表示的椭圆轨道。

“在牛顿之前，人们从几何学的角度理解行星的运动——只有图像，没有物理。通过天文观测，人们知道地球绕着太阳沿椭圆轨道运动，但无法解释它为什么沿着椭圆轨道运动。”南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇表示，牛顿解决了两个天体沿椭圆轨道运动的问题，而约翰·伯努利则给出了两个天体在万有引力作用下的轨道形状：这类轨迹在数学上被称为圆锥曲线。

解决了“二体问题”，“三体问题”乃至“N体问题”开始进入科学家的视野。

一场长达数百年的探索正式拉开帷幕。

“三体问题”无解，为什么？

无论是“二体问题”，还是“三体问题”“N体问题”，原本都是天文学的问题，倘若将天体抽象为只有质量，没有大小、体积、形状的质点，这一问题就可以转化为数学问题。

“根据抽象模型写出来的运动方程，完全可以脱离天文学的背景。如果我们去检索在‘三体问题’或者是‘N体问题’上有比较重要贡献的那些人，会发现他们基本上都是数学家。”周礼勇说，“所以其实它基本上就是一个数学问题。”

周礼勇介绍，在数学上，“三体问题”被表达为一个常微分方程组。力学系统中常常有一些守恒量，如能量守恒、动量守恒等。这些守恒量对系统的运动构成特定的限制，当这些限制条件足够多时，系统的运动就能确定下来，换句话说，这个系统的运动就被“解出”了。这意味着，科学家可以用已知的函数显式地表达出任意时刻天体的位置和速度。