从牛顿、三体到混沌:科学认知如何从简单到复杂

科技 3年前 (2020) 一为
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  或许大家觉得牛顿发现万有引力是个偶然的幸运,但事实上并非如此,万有引力定律的发现经历了前人很多年的观测。

  类似的例子还有开普勒发现行星运动三大定律,(编者注:椭圆定律:所有行星绕太阳的轨道都是椭圆,太阳在椭圆的一个焦点上;面积定律:行星和太阳的连线在相等的时间间隔内扫过相等的面积;调和定律:所有行星绕太阳一周的恒星时间的平方与它们轨道长半轴的立方成比例。)开普勒三大定律的发现同样也不是偶然,不是灵机一现。

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  历史上第一个被尿憋死的科学家:第谷·布拉赫

  开普勒发现了行星运动三大定律之前,有一位丹麦的数学家第谷·布拉赫,他花了很多时间去观察行星的运动,那时观测精度比较差,他又是用肉眼来观察行星的运动,因此花费了很多精力。

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  丹麦皇帝甚至资助他在岛上修建天文台,花了很多钱来支持他的研究,有意思的是,当时他记录的纸都是一个专门的造纸厂提供的。

  第谷和皇帝关系很好,但是皇帝死后,继任皇帝不喜欢他,他就跑到布拉格去,那里的皇帝也非常支持他进行科学研究,第谷得以经常出没皇宫。有一次他在皇宫喝了很多酒,回家后就死掉了,大家一直猜测他是什么原因死亡,有一种猜测是被别人下毒,另一种猜测是喝多了被尿憋死,在他死后的四百多年,也就是2001年,有人决定把他的尸体挖出来,来确定他的死因,结果发现果然不是毒死的,而是被尿憋死的,第谷成了历史上第一个被尿憋死的科学家。

  又过了十年,关于第谷又有一个很大的争议。第谷性格怪异,在二十几岁的时候跟堂兄争吵谁是更伟大的数学家,最后两人决定决斗,结果第谷的鼻子在决斗中被割掉,大家很长时间不知道他的鼻子是金子做的还是银子做的。2010年,大家决定再把他的棺材挖出来研究一下,结果发现他的鼻子是铜做的。

从牛顿、三体到混沌:科学认知如何从简单到复杂

  第谷对天文学的观测奠定了开普勒的基础、奠定了万有引力定律的开始。作为他的学生,开普勒观测了火星运动。如果当初没有观测火星的话,大家会认为行星的轨道是圆形的,所以牛顿才终于发现了万有引力,而并不仅仅是因为一个苹果掉在他的头上。

  用经典方法无法解决三体问题

  当牛顿发现万有引力定律后,第一个问题是想解决多体问题,既有万有引力,又有牛顿力学,再加上微积分,这样的天文学问题变成了数学问题。

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  如何根据这些物理定律来找到行星运动的轨道,精确地推算轨道。太阳和一个行星在一起就是二体问题,我们已经知道二体问题的轨道是稳定性轨道,而太阳与两个行星放在一起就叫三体问题,天体越多就变成越复杂的数学问题。三体问题花了很长时间,最终人们发现三体问题是不可解的。

  太阳系远远超过三体,有太阳,有行星,行星还有卫星,还有其他很多小天体。整个太阳系是一个庞大的体系,远远超过三体,是更复杂的多体问题。既然三体问题都没法解,对于多体问题,用经典的方法去解决太阳系的运动,显然也是不太可能的。

  这里需要再提一下牛顿,他同样也是位“怪”人,上半辈子做了非常伟大的科学工作,但他是非常虔诚的基督徒,认为太阳系是不稳定的。人们会问太阳系既然不稳定,那人类怎么可能生存?牛顿的解释是,上帝每隔一段时间就来推一下行星或者球,让地球回到稳定的轨道上不会偏离太远。

  牛顿一直试图用数学的方法来证明上帝的存在,用数学公式去解开行星的轨道,现在看来非常荒唐的,所以有人开玩笑的说,牛顿被苹果砸了后,大脑其实不太好了。

  关于行星的稳定性,每一位伟大的科学家都会提出自己的见解,这些见解有时候介于数学分析,有时候介于猜测。

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  《三体》小说为什么非常有趣?

  大家都知道数学家喜欢写一些猜测,比如经典的科幻作品《三体》,大家为什么觉得这本小说非常有趣呢?

  我刚才提到了,因为三体问题无法用经典方法把解写出来。三体是一个混沌系统,最重要的特征是不可预测。三体的运动,假如时间不够长,是不可能预测未来会如何变化。《三体》小说就是利用这种特征,描述了一个世界有三个太阳,三个太阳的运转处于非常不可预测的状态,可能三个太阳突然出现,使星球上的所有生命热死,很可能三个太阳一段时间都不出现,让星球很冷,把所有生命冻死,这就是《三体》小说里的科学原理。

版权声明:一为 发表于 2020年1月8日 am9:03。
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