想讀懂《三體》，你應該了解這個問題
劉慈欣的《三體》中是中國科幻小說的里程碑式作品。故事的設定是離地球大約4光年的半人馬座α星的行星中，生存著一群三體星人。由於半人馬座α星是個三體行星系統，無法提供穩定的環境，三體文明被毀滅了兩百多次。當環境穩定的時候，三體人繁衍生息，稱之為恆紀元；一旦環境變得惡劣，三體人脫水休眠，稱之為亂紀元。由於三體恆星環境不穩定，三體人一直在尋求太空移民，直到發現了太陽系……
在讀《三體》之前，我們應該知道一個問題：什麼是三體？
地球人2500克朗的遊戲
三體人生死攸關的命運
1887年，為了祝賀自己的60歲壽誕，瑞典國王奧斯卡二世以2500克朗的獎金懸賞一個問題：
與人類生存息息相關的太陽、地球、月亮這三個大天體在萬有引力的作用下的長期運動規律是怎麼樣的？
一年後，法國著名數學家龐加萊（Jules Henri Poincaré）給出了問題的答案，並贏得獎金。極具諷刺意味，他給出來的答案是：無解。
龐加萊
一體、二體問題，通過經典力學的理論，在牛頓的時代已經被解決了，卻沒想到三體問題是一個無解的問題。換而言之，我們無法預測太陽系的穩定性。
而龐加萊的研究，卻開創了數學研究里的新領域：混沌理論（Chaos Thery）。
關於混沌理論，學堂君向大家他推薦最近在科技學堂上線一門新課《混沌簡史》，詳情見文末。
失之毫釐，謬之千里
人類總是希望自己的智力能夠預測一切事物，人們想知道，未來的天氣怎麼樣，未來的股票是漲還是跌，甚至是未來的地球是否還會穩定存在。
但數學的證明很快就打碎了這個人類淳樸的願景。混沌系統對初始狀態極端敏感，只要初始狀態有一點點的差異，結果就會千差萬別，無法預測。
回到三體問題，我們需要把三體問題簡化到最簡單的情況，看看在極端敏感的初始值會對星球的運動造成什麼影響。
上圖正是三體問題的一個極端簡化的例子，Sun1和Sun2代表在同一平面兩個大質量的恆星，並且相對靜止。起始位置有四顆緊靠在一起行星（紅、綠、藍、紫），質量可忽略不計。
在這個空間里，行星開始圍繞恆星運動，在兩顆大質量恆星的萬有引力下，一開始他們的軌跡還是很相似的，直到運動到某一時間，四顆行星的軌跡突然分化為四條完全不同的軌道。
混沌理論中有一句著名的話「一隻蝴蝶在巴西輕拍翅膀，可以導致一個月後德克薩斯州的一場龍捲風」，這就是廣為人知的蝴蝶效應。這句話原本的意思在於說明混沌系統對初始值的極端敏感性，初始條件的極小偏差，將會引起結果的極大差異。
恆紀元與亂紀元
三體文明中，行星圍繞著某一顆恆星運動時，溫度適宜，三體文明才會繁衍生息；而當行星同時受到三顆恆星的引力的時候，溫度會變得極冷或極熱，三體人進入休眠狀態，稱之為亂紀元。
上圖通過軟體模擬三個星球的運動。可以看到在某一時刻，藍色星球的動能轉化為勢能，向遠處飛去，而紅色和綠色兩顆星球（近似）有周期的互相繞行。可以（不嚴格地）看作是著兩顆星球的恆紀元。而後，藍色星球勢能轉化為動能，朝著紅綠兩顆星球撲過來，運動又開始變得不規律，亂紀元再次開始，三體人要脫水休眠了。
三體問題真的無法預測嗎？
要預測三體的運動規律，我們需要尋找它的周期性。如果某個狀態的情況（位置、速度、方向等）能夠精確的重複出現，那麼我們可以判斷它是具有周期性的。很不幸，三體運動大多數情況下都沒有周期性——除了目前科學家發現的十三種情況。
上圖是十三種情況之一的特解，三個星體在同一平面上互相追逐，周期性的復現。
而這是科學家發現的另外一些特解，有得解簡單明了，如左下角的「8字形特解」，也有的十分複雜，如右下角的圖形，雖然亂成一團麵條，但周期性是存在的。
然而，這種特解同樣也具有極端的敏感性，只要有輕微的擾動也會造成結果的巨大差異。
尋找三體星
混沌問題在宇宙中是廣為存在的，而劉慈欣小說種說到的半人馬座α星，就是真實存在的一個三體系統。
半人馬座α星，在中國的星官系統種被稱為南門二，是全星空種第三亮星。南門二由三顆恆星組成的一個三合星系統，分別為A星、B星和C星組成，其中C星有一個我們更加熟悉的名字：比鄰星，這也暗示了C星（比鄰星）是最接近太陽系的恆星。所以很多的科幻小說和電影都將半人馬座α星作為外星人入侵地球的起點。
而在八月出版的《自然》雜誌上，歐洲南方天文台聲稱發現了一顆比鄰星的衛星。也許這就是三體人的家園……
關於這顆行星，還需要更多的科學家進一步研究（幾年前三體星已經烏龍了一次了）。不過有個好消息：他們現在正處在亂紀元，我們一時半會還是安全的。
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