兩位以色列物理學者采用了名為「醉漢游走」的隨機游走模式，為「三體問題」引入了新思路。

當牛頓第一次發(fā)現(xiàn)兩個物體之間通過引力相互作用時，他就已經(jīng)破解了物質(zhì)在廣闊時空中移動和相互作用的密碼。然而這一發(fā)現(xiàn)是關于兩個物體之間的相互作用，三個相互環(huán)繞的物體之間的相互作用，即「三體問題」，牛頓并未解決。

距離牛頓提出「三體問題」已經(jīng)過去了三個世紀，但一直沒有人能夠解決。不過它啟發(fā)了作家劉慈欣寫出科幻作品《三體》。

三體問題是一個混沌系統(tǒng)，這意味著做出任何有意義的預測都需要非常準確地了解三個物體的初始位置，極具挑戰(zhàn)性。

在這樣的系統(tǒng)中，「蝴蝶效應」變得極其真實，即使是最微小的錯誤也會導致物體出現(xiàn)與預期完全不同的軌跡。沒有方程式能夠預測這些物體將如何移動，也沒有方法可以確定物體的運動軌跡能否隨著時間的推移保持穩(wěn)定。

由于三體問題缺乏解決方案，科學家目前無法預測雙星系統(tǒng)（兩顆互繞的恒星）與附近的第三顆恒星相撞時會發(fā)生什么。做到這一點的唯一方法是對案例進行計算機模擬，并觀察三體系統(tǒng)如何隨著時間的推移而演變。

這些模擬揭示出相互作用發(fā)生在兩個階段：首先是一個混沌階段：三個天體激烈地相互推擠，直到一顆恒星從另外兩個中彈出；然后是一個穩(wěn)定階段，三個天體的位置形成一個橢圓，彼此圍繞。

如果第三顆恒星在束縛軌道（bound orbit）上，它可以重新接近另外兩顆恒星，重新進入第一階段。當其中一顆恒星在第二階段逃入無限軌道（ infinite orbit）時，這種糾纏才能永遠結束。

三體問題非常依賴初始條件，意味著其結果基本是隨機的，但這并不意味著不能計算每種結果的概率。

最近發(fā)表在《Physical Review X》雜志的一項研究中，來自以色列理工學院的 Yonadav Barry Ginat 及其導師 Hagai Perets 利用這種不可預測性為該過程的兩個階段提出了一個統(tǒng)計解決方案。他們計算了每個第一階段接觸中任何潛在結果的可能性，而不是預測實際事件。盡管該問題尚未有一個全面的解決方案，但混沌的隨機特性允許人們計算三重交互以兩種方式之一結束的可能性。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prx/pdf/10.1103/PhysRevX.11.031020

Yonadav Barry Ginat 是一名理論物理學家，目前在以色列海法理工學院攻讀博士學位，導師是 Vincent Desjacques 和 Hagai Perets。他的研究領域為宇宙學中的大規(guī)模及小規(guī)模的引力研究，包括單個恒星在引力相互作用和引力波影響下的運動。

Hagai Perets 是這篇論文的另外一位作者，他是以色列理工學院物理系副教授，是天體物理學組的一員。

隨機游走，也稱為「醉漢游走」，可以用來表示整個系列的近似值。這個詞是由數(shù)學家創(chuàng)造的，他們想象一個醉漢會如何走路，并將其設想為一個隨機過程：醉漢不知道自己在哪里，每一次都是朝著某個隨機方向邁出下一步。醉漢向右走一步和向左走一步的概率是一樣的，知道這些概率之后，你就可以計算出醉漢在某個時間點出現(xiàn)在任何給定地點的可能性。

本質(zhì)上，三體問題涉及的原理與此相同。實際上，每次近距離碰撞后，其中一顆恒星都會被隨機拋出。而這種模式可以類比為酒鬼走路。一顆恒星被隨機彈射、返回，另一顆（或同一顆恒星）以不同的隨機方向彈射（類似于醉漢的腳步），依此類推，直到這顆恒星被完全驅(qū)逐，就像醉漢跌進溝里之后一樣，不會再返回。

換句話說，Ginat 和 Perets 的研究展示了如何將相同的統(tǒng)計系統(tǒng)應用于三體問題。因此，他們估計了每個二元配置的可能性，然后使用隨機游走理論確定任何潛在結果的最終概率，類似于創(chuàng)建長期天氣預報。

「我們在 2017 年提出了隨機游走模型，當時我還是一名本科生,」Ginat 說，「我參加了 Perets 教授授課的一門課程，在那里我不得不寫一篇關于三體的文章。當時我們沒有發(fā)表這篇文章，但當我開始攻讀博士學位時，我們決定擴充文章內(nèi)容并將其發(fā)表?！?/p>

近年來，許多團隊已經(jīng)解決了同樣的問題，Ginat 和 Perets 的解決方案在統(tǒng)計學上解決了所有潛在的互動類型。

對于 Perest 來說，這項工作「對于理解引力系統(tǒng)有著重要的意義，特別是在三顆恒星之間發(fā)生多次碰撞的情況下，比如密集的星團。在這些區(qū)域，許多奇異的系統(tǒng)是通過三體碰撞形成的，導致恒星與黑洞、中子星和白矮星等致密天體之間的碰撞，這些碰撞也會產(chǎn)生直到最近幾年才被直接探測到的引力波。統(tǒng)計解決方案可以作為建模和預測此類系統(tǒng)形成的重要步驟。」

另一方面，隨機游走模型可以完成更多的任務。迄今為止，在三體的研究中，單個的恒星一直被視為理想化的點粒子。

當然，它們在現(xiàn)實中是不存在的，它們的內(nèi)部結構可能會對運動產(chǎn)生影響，比如潮汐。

月亮引起地球上的潮汐，從而顯著改變地球的形態(tài)。由于海洋和地球其余部分之間的摩擦，部分潮汐能以熱量的形式消散。但由于能量守恒，這些熱量必須來自月球繞地球軌道運行時的能量。潮汐也可以從三體問題的 3 個天體的運動中提取軌道能量。

Ginat 解釋說，隨機游走模型以一種自然的方式考慮這些現(xiàn)象。你所要做的就是在每個步驟中去除總能量潮汐中的熱量，然后組成所有的步驟。我們發(fā)現(xiàn)在這種情況下，可以計算出結果的概率。

「誰能想到，一個醉漢搖搖晃晃的走路姿勢可以解釋物理學中一些最基本的問題？」

參考鏈接：https://www.revyuh.com/top-news/featured/drunkards-walk-can-help-solve-three-centuries-old-three-body-problem/