三体运动研究论文

拉格朗日1736年1月25日生于意大利西北部的都灵。父亲约瑟夫·拉格朗日是法国陆军骑兵里的一名军官，后由于经商破产，家道中落。据拉格朗日本人回忆，如果幼年时家境富裕，他也就不会作数学研究了，因为父亲一心想把他培养成为一名律师。拉格朗日个人却对法律毫无兴趣。拉格朗日科学研究所涉及的领域极其广泛。他在数学上最突出的贡献是使数学分析与几何与力学脱离开来，使数学的独立性更为清楚，从此数学不再仅仅是其他学科的工具。拉格朗日总结了18世纪的数学成果，同时又为19世纪的数学研究开辟了道路，堪称法国最杰出的数学大师。同时，他的关于月球运动(三体问题)、行星运动、轨道计算、两个不动中心问题、流体力学等方面的成果，在使天文学力学化、力学分析化上，也起到了历史性的作用，促进了力学和天体力学的进一步发展，成为这些领域的开创性或奠基性研究。在柏林工作的前十年，拉格朗日把大量时间花在代数方程和超越方程的解法上，作出了有价值的贡献，推动一代数学的发展。他提交给柏林科学院两篇著名的论文：《关于解数值方程》和《关于方程的代数解法的研究》 。把前人解三、四次代数方程的各种解法，总结为一套标准方法，即把方程化为低一次的方程(称辅助方程或预解式)以求解。拉格朗日也是分析力学的创立者。拉格朗日在其名著《分析力学》中，在总结历史上各种力学基本原理的基础上，发展达朗贝尔、欧拉等人研究成果，引入了势和等势面的概念，进一步把数学分析应用于质点和刚体力学，提出了运用于静力学和动力学的普遍方程，引进广义坐标的概念，建立了拉格朗日方程，把力学体系的运动方程从以力为基本概念的牛顿形式，改变为以能量为基本概念的分析力学形式，奠定了分析力学的基础，为把力学理论推广应用到物理学其他领域开辟了道路。他还给出刚体在重力作用下，绕旋转对称轴上的定点转动(拉格朗日陀螺)的欧拉动力学方程的解，对三体问题的求解方法有重要贡献，解决了限制性三体运动的定型问题。拉格朗日对流体运动的理论也有重要贡献，提出了描述流体运动的拉格朗日方法。拉格朗日的研究工作中，约有一半同天体力学有关。他用自己在分析力学中的原理和公式，建立起各类天体的运动方程。在天体运动方程的解法中，拉格朗日发现了三体问题运动方程的五个特解，即拉格朗日平动解。此外，他还研究了彗星和小行星的摄动问题，提出了彗星起源假说等。近百余年来，数学领域的许多新成就都可以直接或间接地溯源于拉格朗日的工作。所以他在数学史上被认为是对分析数学的发展产生全面影响的数学家之一。

刘慈欣科幻小说《三体》中提到的三体问题，真正是人类科学家数百年来面临的一个巨大难题。从牛顿到那个时候到现在，三体问题一直就是物理学家和数学家挥之不去的噩梦。

难倒牛顿的世纪难题

自从牛顿提出万有引力定律以来，人们就很容易计算出宇宙中两个天体在引力作用下的运动情况，得到天体的运行轨道。但是，有第三个天体存在的话，情况就完全不同了，这三个天体之间的作用力关系就非常复杂以至于难以求解。而天体更多时，问题就更加复杂了。

在实际的星空中，天体系统往往由很多天体构成，比如太阳、地球、月球构成了“三体”，太阳、冥王星以及冥王星的卫星“卡戎”也构成了“三体”，只由两个天体构成的系统很少。不过，计算这些星体的运动轨道时，完全可以按照两个天体情况来计算，比如，计算地球的公转轨道，就不必考虑月球的影响；计算月球的绕地轨道，也不必考虑太阳的影响。

但是，如果真的遇到需要第三者的影响时，该如何计算呢？牛顿在攻克二体问题后，立即着手研究三体问题。但由于难度太大，他计算到头痛欲裂也没能找到答案，于是谨言慎行的牛顿没有留下任何关于这个问题的论述。

其实，计算三体运动的轨迹已经是对物理实际简化得很厉害了，只需考虑质点的运动方程，而不必考虑其他因素。科学家们在研究天体运动轨迹时，通常把天体当做一个有质量的点来看待，这就是“质点”。但是，只要研究实际的地球运动，就已经比质点复杂得多，地球别说不是点，连球形都不是，粗略看来是个赤道上胖出来一圈的椭球体。于是，在月球引力下，地球的自转轴方向就不固定，因此北极星也不会永远是那一颗（天文学家们早已算出，4800年前，北极星不是现在小熊座α星，而是天龙座α星；未来到公元4000年前后，仙王座γ星将成为北极星；到公元14000年前后，天琴座α星织女星将获得北极星的美名）。而在考虑潮汐作用时，地球都不能看成是“硬”的了，地球自转也因此越来越慢。如果把这些问题都考虑进去，那么任何方程都无法精确计算出地球的运动情况。

然而即使是极其简化了的三体问题，从牛顿那时开始，在随后的200多年中，欧拉、拉格朗日、拉普拉斯、庞加莱等等数学大师们绞尽了脑汁也未能将它攻克。

千辛万苦找到特解

既然三体问题难以解决，人们就开始尝试求解一些经过简化的三体问题，即所谓的限制性三体问题。我们考虑一种情况：两个大质量天体（比如太阳和地球）相互绕转，第三个天体的质量小到可以忽略，但是这个小天体又处于两个大天体引力的影响下，这就是限制性三体运动。18世纪的法国数学家拉格朗日在这个问题上做出了突破性的贡献，他研究的是所谓的椭圆轨道限制性三体问题，椭圆轨道是宇宙中天体运动的常见轨道。

1767～1772年间，拉格朗日对限制性椭圆轨道三体运动求出了五个特解，并由此计算出5个在三体系统中引力达到平衡的所谓“拉格朗日点”，如果把物体放到三体系统的拉格朗日点上，物体会保持相对静止状态。

这5个拉格朗日点简称为L1-L5。其中，L1-L3都位于两个大天体的连线或延长线上，L1-L3都是不稳定的，也就是说，如果这个点上的物体受到外界扰动而偏离了这个位置，就不会再回到这个位置，而是日渐远离。L4和L5分别位于较小天体绕较大天体运行的轨道上，与两较大天体组成非常稳定的等边三角形。当时限于观测条件，这个计算结果无法验证，不过100多年后，天文学家在太阳系里找到了实例，那就是特洛伊小行星群，这些小行星分成两组，分别在木星-太阳系统的L4和L5上，和木星、太阳恰好组成了两个等边三角形。自然界真的是让人惊叹！

20世纪80年代，天文学家发现土星的卫星系统中存在着好几个类似的等边三角形。人们进一步发现，在自然界各种运动系统中（包括微观运动），都有拉格朗日点。甚至在地月系统中也存在，在月球轨道上，月球前后各60度同地球和月球距离成等边三角形的两个位置存在两片非常稀薄的气体云，那两片云与月球一同绕地球旋转，并永远和地球、月球保持这种等边三角形的关系。

三体系统的“蝴蝶效应”

拉格朗日找到了几个有限的特解，那么，三体问题能找到通用解吗？1885年，酷爱数学的瑞典国王奥斯卡二世悬赏征求太阳系的稳定性问题的解答，这其实是三体问题的一个变种。来自法国的一位只有33岁的年轻学者庞加莱接受了这一挑战，由于这一问题是如此的复杂，他决定也像拉格朗日从较为简单的限制性三体问题着手研究，试图突破特解，找到普遍性的通用解。

但是在研究过程中，庞加莱发现，这几乎是不可能的事。经过整整三年的努力，他断定这个问题无法完全解决，决定收工。庞加莱把自己的研究成果寄到论文评审委员会，在论文开头写了一句：“繁星无法超越。”

庞加莱没有解决三体问题，但他还是由于对这个问题作出的贡献，而于1888年获得了瑞典国王的奖金。

事情没有结束。在后续研究中，庞加莱发现，三体问题无法解决的根源在于：在三体系统中，由于引力的互相干扰，某个天体的初始数据只要有很小的变动，后来的状况可能就会有极大的不同，计算结果也会出现无数的不同，这就导致了计算结果的毫无意义。当时，庞加莱试图画出一些运动轨道，却发现那些图形复杂、混乱到无法画出的地步！

这其实是一个典型的混沌系统，混沌系统会将初始条件的最细微的差别无限放大，随着时间的推移，这最开始的一点变化会使整个系统的运动完全不同，让我们无法计算。就像那句描述混沌理论的名言：“一只巴西热带雨林中的蝴蝶扇动几下翅膀，可能在美国德克萨斯州引起一场龙卷风。”三体问题也是如此。

混沌理论是20世纪继相对论和量子力学以后基础科学的第三大重要成果，但庞加莱通过对三体问题的研究，证明了系统初始条件的敏感性，这是混沌理论最早的研究。

超出想象的星球轨道

从牛顿到庞加莱，那些天才的数学大师做了各种尝试，终于承认，不可能找到三体问题的一般解，只可能找到特殊解（特定条件下的特殊轨道）。

但是特殊解也很难得到，找到任何一类解都面临重重困难。三个物体在空间种有无数种陈列方式，必须要找到合适的初始条件（如起始点，速度等），才可以让体系重新回到起点重复运转。拉格朗日最早提出了一些解后，而直到20世纪70年代后，科学家才在现代计算机的帮助下找到了一些新解。拉格朗日发现的那种，是三个等距的物体在椭圆形轨道中旋转，和旋转木马一样；而新发现的有一种叫8字型，三个物体在8字形的轨道中相互追赶；还有一种更复杂，两个天体在轨道里层来返往复、横冲直撞，其轨迹就像一团乱麻，第三个天体却比较规矩地在外层旋转。

又经过了几十年的探索，不久之前，科学家又找到了三体问题的更多特解。这些特解的轨道都很怪异，其中有一种的轨道复杂多变，看上去就像是一大团乱糟糟的面条，不过三体从初始条件出发，经过这乱糟糟的“面条轨道”，依然能够回到初始状态。

这些奇怪的运动轨道在现实宇宙中能否找到呢？到目前为止，我们除了在太阳系中发现了拉格朗日所计算的三体类型外，其他类型都还是理论模型。科学家猜测，那些奇形怪状的三体系统只有在密集的球状星团中才可能出现，而那里的恒星太密集了，几乎没有产生行星的空间，更不要说诞生生命了。《三体》作为小说，设定一个拥有高超科技的三体文明是可以的，但没什么科学根据，小说中描述的三体行星上的景象在宇宙中是不可能出现的。