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          中國新聞網-上海新聞
          上海分社正文
          挑戰經典難題 中國科學家提出求解“三體問題”周期軌道路線圖
          2022年06月20日 18:50   來源:中新網上海  

            中新網上海新聞6月20日電 (江倩倩 楊宇 許婧)牛頓1687年提出了著名的“三體問題”。三百余年來,“三體問題”得到國際學術界的廣泛關注,成為歷史上最著名的科學問題之一。上海交通大學20日發布消息稱,近期,該校廖世俊教授和其博士生楊宇,以及暨南大學李曉明副教授在國際雜志New Astronomy發表論文,通過將“機器學習”與其發明的一種極高精度的數值算法相結合,提出了求解“三體問題”周期軌道的路線圖,大大提高了計算效率,為獲得“三體問題”海量、精確的周期軌道鋪平了道路。

            科學家們一直在探索“三體問題”的奧秘。2009年,上海交通大學廖世俊提出一個獲得混沌動力系統收斂軌跡的策略——精準數值模擬(Clean Numerical Simulation),簡稱CNS。CNS能將數值誤差降到任意小,從而可獲得混沌系統足夠長時間內收斂的數值解,在理論上為準確獲得“三體問題”的周期軌道鋪平了道路。

            基于CNS,2017年廖世俊團隊成功獲得等質量的“三體問題”695類周期軌道;2018年廖世俊團隊與上海交通大學物理和天文學院景益鵬院士合作,應用CNS進一步成功獲得兩個質量相等的三體系統1349類全新的周期軌道。

            任意不等質量的三體系統之周期軌道的獲取更為困難。2021年廖世俊與暨南大學李曉明等合作,以一個已知的、具有相同質量的三體系統周期軌道為基礎,成功應用CNS獲得該三體系統任意不等質量的135445個周期軌道,將“三體問題”周期軌道數量增加了幾個數量級,證實了CNS求解任意質量“三體問題”周期軌道(特別是長周期軌道)的有效性。值得指出的是,這135445個周期軌道很多是穩定的,其質量范圍與2019年諾貝爾物理獎獲得者麥耶(Michel Mayor)和奎洛茲(Didier Queloz)所發現的太陽系外第一個環繞類太陽恒星的行星相近,因此,這些周期軌道很有可能在宇宙中確實存在,今后有可能被觀測到。

            2022年,為了進一步大幅提高計算效率,廖世俊、李曉明、楊宇將CNS結合機器學習(一種從數據中分析獲得規律,并利用該規律對未知數據進行預測的算法),提出了一個獲得“三體問題”周期軌道的路線圖。從用傳統方法獲得的、很小質量范圍內的周期軌道出發,基于機器學習和CNS一步步地獲得更大質量范圍內的精確周期軌道,直至找到該類周期軌道中所有不同質量的精確周期軌道。最后,對于(存在周期軌道的質量區域內)任意質量的“三體問題”,機器學習都能足夠精確地預測其周期軌道之初始條件、周期。

            該論文2022年在國際天文學雜志New Astronomy上發表( https://doi.org/10.1016/j.newast.2022.101850),其相關機器學習程序和周期軌道可在GitHub( https://github.com/sjtu-liao/three-body)免費下載。

            按上述策略采用CNS獲得的“三體問題”之周期軌道可達到極高精度:即使以宇宙直徑為特征長度,其初始位置的誤差也遠小于物理學上最小的距離單位——普朗克長度。根據廣義相對論和量子力學,我們無法對位置做出比“普朗克長度”還要小、還要精確的測量;而且,比“普朗克長度”更短的長度是沒有物理意義的。因此,進一步提高周期軌道的計算精度沒有任何物理意義,所以采用CNS獲得的“三體問題”之周期軌道就是物理意義上的精確軌道。

            “三體問題”的解決,本質上依賴高性能計算機和數學方法。廖世俊等基于CNS和機器學習提出求解“三體問題”周期軌道之路線圖,將計算效率提高了幾個數量級,為獲得“三體問題”海量的、精確的周期軌道鋪平了道路。“三體問題”周期軌道的求解,證實了CNS求解復雜混沌問題的有效性和潛力。理論上,CNS可應用于N體問題周期軌道的求解以及湍流研究等,為星系演化、復雜湍流的精確數值模擬等提供了一個全新的研究工具。(完)

          注:請在轉載文章內容時務必注明出處!   

          編輯:許婧  

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