三體文明真的存在嗎？

ldjsld 2015-11-07

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（原作者：賀飛鴻叢越）三體文明存在嗎？在距離地球4光年之外的半人馬座上，有一個由三顆恒星和一顆行星所組成的恒星系統(tǒng)。這三顆恒星的質(zhì)量以及彼此之間的距離基本相等，在互相的引力作用下，它們的運行軌跡幾乎不可預測。但三顆恒星的光和熱在其行星上孕育了一種高級智慧文明——三體文明。
由于三顆恒星運行軌道不穩(wěn)定，無法計算，三體行星上便出現(xiàn)了兩種紀年方法：恒紀元和亂紀元。當行星圍繞著三顆恒星中的某一顆恒星運行時，溫度適宜，這便是恒紀元，只有在恒紀元，三體人才能繁衍生息，發(fā)展文明；當行星同時受到三顆恒星的引力作用時，溫度可能極冷也可能極熱，這便是亂紀元，亂紀元時候，三體智慧生命只能進入休眠狀態(tài)以保存自己，即便如此，亂紀元也已經(jīng)讓他們的文明百余次毀滅于大火或冰凍中。
三體世界本來擁有12顆行星，但在漫長的時間里有11顆被恒星吞噬，三體人居住的第12顆行星也即將被恒星吞噬。他們終于明白三體問題不可解，只有飛向宇宙尋找新家園，才能讓三體文明持續(xù)下去。
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終于有一天，三體人探知到了地球的存在，認定地球是一個他們可以長久居住的樂土。于是，三體人的星際艦隊便以相當于光速的十分之一的速度向地球進發(fā)。地球人也通過望遠鏡探知到了三體艦隊的存在，地球陷入一片恐慌之中……
以上是我國當代知名科幻作家劉慈欣科幻小說《三體》中的內(nèi)容。最近幾年來，《三體》系列紅遍大江南北，被視為中國科幻文學的里程碑之作。伴隨著《三體》小說的熱銷，三體問題也為眾多的讀者所熟知。劉慈欣在小說里構造出了一個復雜而迷人的宇宙體系，但是，這樣一個忽然很規(guī)律、忽然很紊亂的三體系統(tǒng)在宇宙中是不存在的，即使存在，也會很快崩潰。所謂的行星，要么飛離恒星要么飛向恒星。如果要像三體中說的那樣時近時遠，還能讓一個文明產(chǎn)生，幾乎是完全不可能的。
不過，小說中提到三體問題，倒還真是人類科學家數(shù)百年來面臨的一個巨大難題。

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難倒牛頓的世紀難題
自從牛頓提出萬有引力定律以來，人們就很容易計算出宇宙中兩個天體在引力作用下的運動情況，得到天體的運行軌道。但是，有第三個天體存在的話，情況就完全不同了，這三個天體之間的作用力關系就非常復雜以至于難以求解。而天體更多時，問題就更加復雜了。
在實際的星空中，天體系統(tǒng)往往由很多天體構成，比如太陽、地球、月球構成了“三體”，太陽、冥王星以及冥王星的衛(wèi)星“卡戎”也構成了“三體”，只由兩個天體構成的系統(tǒng)很少。不過，計算這些星體的運動軌道時，完全可以按照兩個天體情況來計算，比如，計算地球的公轉(zhuǎn)軌道，就不必考慮月球的影響；計算月球的繞地軌道，也不必考慮太陽的影響。
但是，如果真的遇到需要第三者的影響時，該如何計算呢？牛頓在攻克二體問題后，立即著手研究三體問題。但由于難度太大，他計算到頭痛欲裂也沒能找到答案，于是謹言慎行的牛頓沒有留下任何關于這個問題的論述。

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其實，計算三體運動的軌跡已經(jīng)是對物理實際簡化得很厲害了，只需考慮質(zhì)點的運動方程，而不必考慮其他因素?？茖W家們在研究天體運動軌跡時，通常把天體當做一個有質(zhì)量的點來看待，這就是“質(zhì)點”。但是，只要研究實際的地球運動，就已經(jīng)比質(zhì)點復雜得多，地球別說不是點，連球形都不是，粗略看來是個赤道上胖出來一圈的橢球體。于是，在月球引力下，地球的自轉(zhuǎn)軸方向就不固定，因此北極星也不會永遠是那一顆（天文學家們早已算出，4800年前，北極星不是現(xiàn)在小熊座α星，而是天龍座α星；未來到公元4000年前后，仙王座γ星將成為北極星；到公元14000年前后，天琴座α星織女星將獲得北極星的美名）。而在考慮潮汐作用時，地球都不能看成是“硬”的了，地球自轉(zhuǎn)也因此越來越慢。如果把這些問題都考慮進去，那么任何方程都無法精確計算出地球的運動情況。
然而即使是極其簡化了的三體問題，從牛頓那時開始，在隨后的200多年中，歐拉、拉格朗日、拉普拉斯、龐加萊等等數(shù)學大師們絞盡了腦汁也未能將它攻克。
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千辛萬苦找到特解
既然三體問題難以解決，人們就開始嘗試求解一些經(jīng)過簡化的三體問題，即所謂的限制性三體問題。我們考慮一種情況：兩個大質(zhì)量天體（比如太陽和地球）相互繞轉(zhuǎn)，第三個天體的質(zhì)量小到可以忽略，但是這個小天體又處于兩個大天體引力的影響下，這就是限制性三體運動。18世紀的法國數(shù)學家拉格朗日在這個問題上做出了突破性的貢獻，他研究的是所謂的橢圓軌道限制性三體問題，橢圓軌道是宇宙中天體運動的常見軌道。
1767～1772年間，拉格朗日對限制性橢圓軌道三體運動求出了五個特解，并由此計算出5個在三體系統(tǒng)中引力達到平衡的所謂“拉格朗日點”，如果把物體放到三體系統(tǒng)的拉格朗日點上，物體會保持相對靜止狀態(tài)。

這5個拉格朗日點簡稱為L1-L5。其中，L1-L3都位于兩個大天體的連線或延長線上，L1-L3都是不穩(wěn)定的，也就是說，如果這個點上的物體受到外界擾動而偏離了這個位置，就不會再回到這個位置，而是日漸遠離。L4和L5分別位于較小天體繞較大天體運行的軌道上，與兩較大天體組成非常穩(wěn)定的等邊三角形。當時限于觀測條件，這個計算結(jié)果無法驗證，不過100多年后，天文學家在太陽系里找到了實例，那就是特洛伊小行星群，這些小行星分成兩組，分別在木星-太陽系統(tǒng)的L4和L5上，和木星、太陽恰好組成了兩個等邊三角形。自然界真的是讓人驚嘆！
20世紀80年代，天文學家發(fā)現(xiàn)土星的衛(wèi)星系統(tǒng)中存在著好幾個類似的等邊三角形。人們進一步發(fā)現(xiàn)，在自然界各種運動系統(tǒng)中（包括微觀運動），都有拉格朗日點。甚至在地月系統(tǒng)中也存在，在月球軌道上，月球前后各60度同地球和月球距離成等邊三角形的兩個位置存在兩片非常稀薄的氣體云，那兩片云與月球一同繞地球旋轉(zhuǎn)，并永遠和地球、月球保持這種等邊三角形的關系。
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三體系統(tǒng)的“蝴蝶效應”

拉格朗日找到了幾個有限的特解，那么，三體問題能找到通用解嗎？1885年，酷愛數(shù)學的瑞典國王奧斯卡二世懸賞征求太陽系的穩(wěn)定性問題的解答，這其實是三體問題的一個變種。來自法國的一位只有33歲的年輕學者龐加萊接受了這一挑戰(zhàn)，由于這一問題是如此的復雜，他決定也像拉格朗日從較為簡單的限制性三體問題著手研究，試圖突破特解，找到普遍性的通用解。（原作者：賀飛鴻叢越）但是在研究過程中，龐加萊發(fā)現(xiàn)，這幾乎是不可能的事。經(jīng)過整整三年的努力，他斷定這個問題無法完全解決，決定收工。龐加萊把自己的研究成果寄到論文評審委員會，在論文開頭寫了一句：“繁星無法超越。”
龐加萊沒有解決三體問題，但他還是由于對這個問題作出的貢獻，而于1888年獲得了瑞典國王的獎金。
事情沒有結(jié)束。在后續(xù)研究中，龐加萊發(fā)現(xiàn)，三體問題無法解決的根源在于：在三體系統(tǒng)中，由于引力的互相干擾，某個天體的初始數(shù)據(jù)只要有很小的變動，后來的狀況可能就會有極大的不同，計算結(jié)果也會出現(xiàn)無數(shù)的不同，這就導致了計算結(jié)果的毫無意義。當時，龐加萊試圖畫出一些運動軌道，卻發(fā)現(xiàn)那些圖形復雜、混亂到無法畫出的地步！
這其實是一個典型的混沌系統(tǒng)，混沌系統(tǒng)會將初始條件的最細微的差別無限放大，隨著時間的推移，這最開始的一點變化會使整個系統(tǒng)的運動完全不同，讓我們無法計算。就像那句描述混沌理論的名言：“一只巴西熱帶雨林中的蝴蝶扇動幾下翅膀，可能在美國德克薩斯州引起一場龍卷風?！比w問題也是如此。
混沌理論是20世紀繼相對論和量子力學以后基礎科學的第三大重要成果，但龐加萊通過對三體問題的研究，證明了系統(tǒng)初始條件的敏感性，這是混沌理論最早的研究。

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超出想象的星球軌道
從牛頓到龐加萊，那些天才的數(shù)學大師做了各種嘗試，終于承認，不可能找到三體問題的一般解，只可能找到特殊解（特定條件下的特殊軌道）。
但是特殊解也很難得到，找到任何一類解都面臨重重困難。三個物體在空間種有無數(shù)種陳列方式，必須要找到合適的初始條件（如起始點，速度等），才可以讓體系重新回到起點重復運轉(zhuǎn)。拉格朗日最早提出了一些解后，而直到20世紀70年代后，科學家才在現(xiàn)代計算機的幫助下找到了一些新解。拉格朗日發(fā)現(xiàn)的那種，是三個等距的物體在橢圓形軌道中旋轉(zhuǎn)，和旋轉(zhuǎn)木馬一樣；而新發(fā)現(xiàn)的有一種叫8字型，三個物體在8字形的軌道中相互追趕；還有一種更復雜，兩個天體在軌道里層來返往復、橫沖直撞，其軌跡就像一團亂麻，第三個天體卻比較規(guī)矩地在外層旋轉(zhuǎn)。

又經(jīng)過了幾十年的探索，不久之前，科學家又找到了三體問題的更多特解。這些特解的軌道都很怪異，其中有一種的軌道復雜多變，看上去就像是一大團亂糟糟的面條，不過三體從初始條件出發(fā)，經(jīng)過這亂糟糟的“面條軌道”，依然能夠回到初始狀態(tài)。
這些奇怪的運動軌道在現(xiàn)實宇宙中能否找到呢？到目前為止，我們除了在太陽系中發(fā)現(xiàn)了拉格朗日所計算的三體類型外，其他類型都還是理論模型?？茖W家猜測，那些奇形怪狀的三體系統(tǒng)只有在密集的球狀星團中才可能出現(xiàn)，而那里的恒星太密集了，幾乎沒有產(chǎn)生行星的空間，更不要說誕生生命了。《三體》作為小說，設定一個擁有高超科技的三體文明是可以的，但沒什么科學根據(jù)，小說中描述的三體行星上的景象在宇宙中是不可能出現(xiàn)的。

半人馬座α星

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　　是三體嗎？

　　不過，上文提到的“三體人”所居住的恒星系統(tǒng)還真有“生活原型”，這就是半人馬座α（南門二）三合星系統(tǒng)。半人馬座α由三顆恒星組成，其編號分別為A星、B星和C星，其中半人馬座α星C被命名為“比鄰星”，是距離太陽最近的恒星之一，距離為4.22光年。由于半人馬座α星系統(tǒng)距離地球很近，因此許多科幻小說都描述這里擁有與地球截然不同的世界和宇宙生物，存在著發(fā)達的宇宙文明。令人震驚的是，就在2012年，天文學家竟然發(fā)現(xiàn)了在半人馬座α星系統(tǒng)很可能有一顆地球大小的行星，圍繞著其中的B星公轉(zhuǎn)。不過遺憾的是，據(jù)計算，這顆行星上一年的周期僅有3天多，這說明該行星的公轉(zhuǎn)軌道離它的“太陽”距離十分近，就像是我們水星的“超級沸騰”版，根本不可能有生命存在。
　　這個三體系統(tǒng)為什么如此穩(wěn)定、并沒有小說所描述的那樣混亂呢？事實上，半人馬座α并不是很標準的三體系統(tǒng)，而是一個雙星系統(tǒng)加一個衛(wèi)星恒星而已，是一種以2+1形式存在的“三體系統(tǒng)”。A星和B星以一個偏心率較大的橢圓軌道互相圍繞旋轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)周期為79.9年。較小的C星（比鄰星）則在遙遠的0.2光年之外以50萬年以上的周期圍繞A、B星的質(zhì)量中心緩慢公轉(zhuǎn)，由于比鄰星離A、B星實在是太遠了，最后很可能飛離半人馬座α星系統(tǒng)。也有科學家認為，比鄰星本來就是個過客，當然會要離開α星繼續(xù)在宇宙中漂流了。
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天上有兩個太陽
　　如果半人馬座α星系統(tǒng)真像小說中所說的那樣，有一顆距離A、B星適中的、跟地球大小相似的行星，毫無疑問，其運行軌道不會那么瘋癲，而是跟地球一樣很穩(wěn)定。如果我們身處在那樣的行星，會看到怎樣一幅圖景呢？

　　喜歡《星球大戰(zhàn)》的讀者大概會記得天行者盧克的家鄉(xiāng)塔圖因，那是一個有著兩顆橙色太陽照耀的星球，雙倍的陽光使得塔圖因成為一個沙漠的世界。很顯然，塔圖因是在圍繞著一對雙星運轉(zhuǎn)，在那里，人們肯定說不出“天無二日”這樣的話。但是，在那樣的雙星世界里真會有塔圖因這樣的行星嗎？
　　在宇宙中，像太陽這樣孤獨的恒星是少數(shù)，多數(shù)的恒星都是兩個或兩個以上匯聚在一起，組成雙星或者聚星。多年來，天文學家一直認為雙星系統(tǒng)不會擁有行星，因為在雙星系統(tǒng)中，行星很可能不是被其中一顆恒星吸進去就是被甩到宇宙空間。但隨著觀測技術的不斷提高，天文學家已經(jīng)在越來越多的雙星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了行星。
　　在那里運行的行星確實比較復雜，其軌道分為兩種：一種是在外圍同時繞兩個恒星運轉(zhuǎn)，稱為外圍軌道；一種是只繞其中一個恒星運轉(zhuǎn)，稱為內(nèi)部軌道。
　　在外圍軌道上運轉(zhuǎn)的行星，如果距離雙星非常遙遠，就是大外圍軌道，這時行星將會沿橢圓形軌道同時繞這兩顆恒星運行，跟地球繞太陽旋轉(zhuǎn)沒什么區(qū)別。盡管天上總是有兩顆太陽同時照耀，但由于距離非常遙遠，這顆行星無疑會和冥王星一樣寒冷。行星如果很靠近雙星，就是小外圍軌道，遍布沙漠的炎熱的塔圖因就是這一類行星，兩顆太陽會如同《星球大戰(zhàn)》中演的那樣結(jié)伴同升同落。有意思的是，近距離圍繞雙星的行星，其所受的雙星引力開始變化無常起來，這時行星的運轉(zhuǎn)必須與雙星繞轉(zhuǎn)的方向相反，逆向而行，否則整個系統(tǒng)將無法穩(wěn)定存在，行星不是被恒星吞了就是要飛出去。因為行星在順行時會被雙星帶著猛跑，結(jié)果無法控制自己，最終導致失衡。
　　

穿行于兩個太陽之間

　　到目前為止，科學家還沒有發(fā)現(xiàn)這種在外圍軌道上運轉(zhuǎn)的行星，在雙星系統(tǒng)中所發(fā)現(xiàn)的行星都屬于是在內(nèi)部軌道上運轉(zhuǎn)的行星，就是說，行星穿行于兩顆恒星之間，但只圍繞其中一顆恒星運轉(zhuǎn)，離另一顆比較遠。半人馬座α三星系統(tǒng)的行星就是圍繞B星運轉(zhuǎn)的。如果雙星系統(tǒng)中兩顆恒星的距離比較近，行星穿梭其中時，很可能遭受兩顆恒星的引力拉拽，被撕裂而化成一片飛灰。

　　我們想象一下，如果我們生活在這樣一顆行星上，天空上是不是同樣有兩個太陽呢？情況有點不一樣，我們看到另一顆較遠的恒星像是一顆明亮的“飛星”，當“飛星”最亮的時候，可以看到它是一個小太陽。最暗的時候，看上去就是一顆非常亮的星星，但亮度仍然到了刺目的地步，不能用眼睛直視。如果太陽下山了，“飛星”還沒下山的話，“夜空”仍然非常明亮，在“飛星”的照耀下，天空和大地仍然沐浴在一片溫和的橙色光輝中。只有當“飛星”也下山了，真正的夜晚才來臨，點點繁星灑滿了夜空。
　　兩顆恒星同行星三者之間組成一個正三角形的情況也會出現(xiàn)，根據(jù)拉格朗日在“三體問題”中的證明，它們將始終保持正三角形的相對位置不變，就如同特洛伊群同木星和太陽的關系一樣，這種情況下，在行星上我們看到的又是一大一小兩個太陽了。
　　我們目前考慮的都是一顆行星和雙星間的關系，如果一個雙星系統(tǒng)有更多行星會是什么情況呢？這就相當復雜了，我們以太陽系為例來看看。我們經(jīng)常說如果木星大一些的話，太陽系就可以成為一個雙星系統(tǒng)，如果真是如此的話，我們的太陽系就是一個帶著很多行星的雙星系統(tǒng)。這樣，我們的地球和水星、金星、火星就是屬于內(nèi)部軌道運轉(zhuǎn)的行星，也就是說只繞太陽，不繞木星；海王星和更外的行星是大外圍軌道，同時繞太陽和木星兩顆恒星轉(zhuǎn)。至于土星，由于離木星很近，屬于小外圍軌道，無法穩(wěn)定存在的。目前的木星是行星，對土星產(chǎn)生不了什么影響，但如果木星真的成了恒星的話，至少會比現(xiàn)在大80倍，從而土星產(chǎn)生巨大影響，土星會被木星巨大的質(zhì)量所吸引，一頭撞進木星的懷抱。介于土星和海王星之間的天王星，則看木星質(zhì)量到底多大才能決定生存的可能。

　　星空出人意料

　　至于多了一顆恒星照耀的行星是否能產(chǎn)生文明，就有待商榷了，不過可以料想的是，如果那樣的行星上真的產(chǎn)生了文明的話，它的天文學和物理學發(fā)展肯定會比較慢。因為那里白天長黑夜短，那里的科學家恐怕積累不了太多的觀測資料，而缺少足夠的星空資料，天文學的發(fā)展就無從談起。另外，雙星系統(tǒng)中行星的運轉(zhuǎn)都過于復雜，那里即使產(chǎn)生了開普勒這樣科學大師，恐怕窮其一生都分析不出開普勒三定律，而沒有開普勒三定律為基礎的話，牛頓就算被1000只蘋果打破了頭也創(chuàng)立不了萬有引力定律，沒有萬有引力定律，他們又怎么能計算星空？
　　不過，天文學家對于雙星系統(tǒng)為什么能夠存在行星感到好奇，因為從行星形成理論上，雙星系統(tǒng)在形成之初，它們的引力會彼此干擾，使得塵埃和氣體沒有機會凝聚起來形成行星，接下來，兩大恒星再把這些物質(zhì)清掃一空。相應的太陽系里的例子是，木星內(nèi)側(cè)的小行星帶里，就沒能形成一顆大行星，而木星還時不時把一些倒霉的小家伙拉過來變成衛(wèi)星或者干脆吃下去。如果木星足夠大，大到成為另一顆恒星，那么木星內(nèi)側(cè)水星、金星、地球和火星都將不存在。
　　有科學家指出，雙星系統(tǒng)中的行星可能都不是一開始形成的，而是后來從別處俘獲的。宇宙中有一些無家可歸、獨自流浪的行星，它們?nèi)绻〉揭粋€雙星系統(tǒng)附近，就會被雙星俘獲。如此看來，我們對恒星和行星的形成機制還需要進一步認識，浩瀚的星空還有很多秘密等待我們?nèi)ソ议_。

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