三体|三体人有救了 只要等得够久就会有一个太阳被甩出去( 二 )
这不,还有统计学嘛 。
统计力学的著名科学家路德维希·玻尔兹曼,在1871年曾经提出过一个假说:
各态历经假说(ergodic hypothesis):一个孤立系统从任一初态出发,经过足够长的时间后,将经历一切可能的微观状态 。
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△双摆系统,混沌系统之一
孤立系统,从热力学角度来说,指不与外界交换能量或质量的系统 。
只要时间够长,这种系统中所有可能的状态都会发生 。
在这个前提下,加上计算机和计算物理学的发展,苏联科学家在20世纪60年代有了新的突破 。
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对于由质量无等级差距的三个物体形成的“非层级三体系统”,有一个状态是最可能发生的——
其中一个体最终会逃逸出去,另外两个演变成规律运动、可预测的“双星”系统 。这个过程被称作三体系统的衰变(Decay) 。
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△就像这样
就这样,研究的目标变成了“三体问题的统计预测是怎样的” 。
之后的研究发展并完善了使用相空间(Phase Space)来描述三体系统状态的方法 。(相空间是一个假想的空间,系统每个可能的状态都对应相空间中的一个点)
时间来到2019年,来自希伯来大学的Nicholas Stone等人,终于在此基础上得出了非层级三体问题的统计学闭合解 。
然而,这项研究还有一些瑕疵 。
按照牛顿的理论,引力是无距离限制的 。导致描述三体系统状态的相空间的体积也是无限的 。
Stone团队人为假设了一个“强相互作用区域”来解决这个问题 。
还有,用相空间体积来确定概率,从而忽略了相空间的相当一部分区域描述的是有规律、可预测的运动情况,其中包括系统衰变后剩下二体的运动 。
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△特定初始条件下的规则运动
同样来自希伯来大学的物理教授Barak Kol,将研究对象聚焦在系统衰变时相空间的流出通量(Outgoing Flux)上,而不是相空间本身 。
这样即使相空间是无限的,其通量也是有限的,就无需引入假设的强相互作用区域了 。
Kol团队还补充了统计演化模型来计算系统衰变,可以呈现为下面这张管道图 。
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从图中来看,三体系统的运动状态可以分成两种,规则(regular)和遍历(ergodic),其中遍历的情况要明显多于前者 。
而逃逸的情况,也同样分成两种,逃逸(escape)和偏移(sub-escape) 。
Kol团队把三体系统的状态变化类比成在一个有光滑反射壁和一个小孔的瓶子里不断反射 。
在经过一段时间后,从小孔脱离遍历的系统状态会进入“逃逸”或是“偏移” 。
用这种统计方法预测的质点逃逸概率,比2019年和2006年的两项研究所做的统计预测,都要更接近数值模拟值 。
下图是三个“三体”星系的质量,以及它们逃逸的概率预测(其中M☉是太阳质量,约为2 x 10??千克) 。
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其中,“统计预测1”是这次研究的预测结果 。
从图中可见,相比于其他两项最新研究,这一研究的统计预测结果,都更加贴合用“数值模拟”计算所得到的质点逃逸率 。
当然,从图中也能看出,质量更小的质点更容易发生“逃逸”情况 。
对于这项研究给出的统计方法,论文作者、物理教授Barak Kol表示:
在数百万台计算机上进行的模拟测试表明,这一理论所计算的结果,和计算机模拟的结果高度符合 。
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希伯来大学出品
这次的论文作者Barak Kol,是以色列希伯来大学的一名物理教授,曾于斯坦福大学获得物理博士学位,还在特拉维夫大学、普林斯顿大学从事过博士后工作 。
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