三体文明真的存在吗？

骑UFO看外星人

（原作者：贺飞鸿 丛越）三体文明存在吗？在距离地球4光年之外的半人马座上，有一个由三颗恒星和一颗行星所组成的恒星系统。这三颗恒星的质量以及彼此之间的距离基本相等，在互相的引力作用下，它们的运行轨迹几乎不可预测。但三颗恒星的光和热在其行星上孕育了一种高级智慧文明——三体文明。
由于三颗恒星运行轨道不稳定，无法计算，三体行星上便出现了两种纪年方法：恒纪元和乱纪元。当行星围绕着三颗恒星中的某一颗恒星运行时，温度适宜，这便是恒纪元，只有在恒纪元，三体人才能繁衍生息，发展文明；当行星同时受到三颗恒星的引力作用时，温度可能极冷也可能极热，这便是乱纪元，乱纪元时候，三体智慧生命只能进入休眠状态以保存自己，即便如此，乱纪元也已经让他们的文明百余次毁灭于大火或冰冻中。
三体世界本来拥有12颗行星，但在漫长的时间里有11颗被恒星吞噬，三体人居住的第12颗行星也即将被恒星吞噬。他们终于明白三体问题不可解，只有飞向宇宙寻找新家园，才能让三体文明持续下去。


终于有一天，三体人探知到了地球的存在，认定地球是一个他们可以长久居住的乐土。于是，三体人的星际舰队便以相当于光速的十分之一的速度向地球进发。地球人也通过望远镜探知到了三体舰队的存在，地球陷入一片恐慌之中……
以上是我国当代知名科幻作家刘慈欣科幻小说《三体》中的内容。最近几年来，《三体》系列红遍大江南北，被视为中国科幻文学的里程碑之作。伴随着《三体》小说的热销，三体问题也为众多的读者所熟知。刘慈欣在小说里构造出了一个复杂而迷人的宇宙体系，但是，这样一个忽然很规律、忽然很紊乱的三体系统在宇宙中是不存在的，即使存在，也会很快崩溃。所谓的行星，要么飞离恒星要么飞向恒星。如果要像三体中说的那样时近时远，还能让一个文明产生，几乎是完全不可能的。
不过，小说中提到三体问题，倒还真是人类科学家数百年来面临的一个巨大难题。



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。（原作者：贺飞鸿 丛越）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。

半人马座α星




　　是三体吗？


　　不过，上文提到的“三体人”所居住的恒星系统还真有“生活原型”，这就是半人马座α（南门二）三合星系统。半人马座α由三颗恒星组成，其编号分别为A星、B星和C星，其中半人马座α星C被命名为“比邻星”，是距离太阳最近的恒星之一，距离为4.22光年。由于半人马座α星系统距离地球很近，因此许多科幻小说都描述这里拥有与地球截然不同的世界和宇宙生物，存在着发达的宇宙文明。令人震惊的是，就在2012年，天文学家竟然发现了在半人马座α星系统很可能有一颗地球大小的行星，围绕着其中的B星公转。不过遗憾的是，据计算，这颗行星上一年的周期仅有3天多，这说明该行星的公转轨道离它的“太阳”距离十分近，就像是我们水星的“超级沸腾”版，根本不可能有生命存在。
　　这个三体系统为什么如此稳定、并没有小说所描述的那样混乱呢？事实上，半人马座α并不是很标准的三体系统，而是一个双星系统加一个卫星恒星而已，是一种以2+1形式存在的“三体系统”。A星和B星以一个偏心率较大的椭圆轨道互相围绕旋转，公转周期为79.9年。较小的C星（比邻星）则在遥远的0.2光年之外以50万年以上的周期围绕A、B星的质量中心缓慢公转，由于比邻星离A、B星实在是太远了，最后很可能飞离半人马座α星系统。也有科学家认为，比邻星本来就是个过客，当然会要离开α星继续在宇宙中漂流了。
　　


天上有两个太阳
　　如果半人马座α星系统真像小说中所说的那样，有一颗距离A、B星适中的、跟地球大小相似的行星，毫无疑问，其运行轨道不会那么疯癫，而是跟地球一样很稳定。如果我们身处在那样的行星，会看到怎样一幅图景呢？


　　喜欢《星球大战》的读者大概会记得天行者卢克的家乡塔图因，那是一个有着两颗橙色太阳照耀的星球，双倍的阳光使得塔图因成为一个沙漠的世界。很显然，塔图因是在围绕着一对双星运转，在那里，人们肯定说不出“天无二日”这样的话。但是，在那样的双星世界里真会有塔图因这样的行星吗？
　　在宇宙中，像太阳这样孤独的恒星是少数，多数的恒星都是两个或两个以上汇聚在一起，组成双星或者聚星。多年来，天文学家一直认为双星系统不会拥有行星，因为在双星系统中，行星很可能不是被其中一颗恒星吸进去就是被甩到宇宙空间。但随着观测技术的不断提高，天文学家已经在越来越多的双星系统中发现了行星。
　　在那里运行的行星确实比较复杂，其轨道分为两种：一种是在外围同时绕两个恒星运转，称为外围轨道；一种是只绕其中一个恒星运转，称为内部轨道。
　　在外围轨道上运转的行星，如果距离双星非常遥远，就是大外围轨道，这时行星将会沿椭圆形轨道同时绕这两颗恒星运行，跟地球绕太阳旋转没什么区别。尽管天上总是有两颗太阳同时照耀，但由于距离非常遥远，这颗行星无疑会和冥王星一样寒冷。行星如果很靠近双星，就是小外围轨道，遍布沙漠的炎热的塔图因就是这一类行星，两颗太阳会如同《星球大战》中演的那样结伴同升同落。有意思的是，近距离围绕双星的行星，其所受的双星引力开始变化无常起来，这时行星的运转必须与双星绕转的方向相反，逆向而行，否则整个系统将无法稳定存在，行星不是被恒星吞了就是要飞出去。因为行星在顺行时会被双星带着猛跑，结果无法控制自己，最终导致失衡。
　　


穿行于两个太阳之间

　　到目前为止，科学家还没有发现这种在外围轨道上运转的行星，在双星系统中所发现的行星都属于是在内部轨道上运转的行星，就是说，行星穿行于两颗恒星之间，但只围绕其中一颗恒星运转，离另一颗比较远。半人马座α三星系统的行星就是围绕B星运转的。如果双星系统中两颗恒星的距离比较近，行星穿梭其中时，很可能遭受两颗恒星的引力拉拽，被撕裂而化成一片飞灰。


　　我们想象一下，如果我们生活在这样一颗行星上，天空上是不是同样有两个太阳呢？情况有点不一样，我们看到另一颗较远的恒星像是一颗明亮的“飞星”，当“飞星”最亮的时候，可以看到它是一个小太阳。最暗的时候，看上去就是一颗非常亮的星星，但亮度仍然到了刺目的地步，不能用眼睛直视。如果太阳下山了，“飞星”还没下山的话，“夜空”仍然非常明亮，在“飞星”的照耀下，天空和大地仍然沐浴在一片温和的橙色光辉中。只有当“飞星”也下山了，真正的夜晚才来临，点点繁星洒满了夜空。
　　两颗恒星同行星三者之间组成一个正三角形的情况也会出现，根据拉格朗日在“三体问题”中的证明，它们将始终保持正三角形的相对位置不变，就如同特洛伊群同木星和太阳的关系一样，这种情况下，在行星上我们看到的又是一大一小两个太阳了。
　　我们目前考虑的都是一颗行星和双星间的关系，如果一个双星系统有更多行星会是什么情况呢？这就相当复杂了，我们以太阳系为例来看看。我们经常说如果木星大一些的话，太阳系就可以成为一个双星系统，如果真是如此的话，我们的太阳系就是一个带着很多行星的双星系统。这样，我们的地球和水星、金星、火星就是属于内部轨道运转的行星，也就是说只绕太阳，不绕木星；海王星和更外的行星是大外围轨道，同时绕太阳和木星两颗恒星转。至于土星，由于离木星很近，属于小外围轨道，无法稳定存在的。目前的木星是行星，对土星产生不了什么影响，但如果木星真的成了恒星的话，至少会比现在大80倍，从而土星产生巨大影响，土星会被木星巨大的质量所吸引，一头撞进木星的怀抱。介于土星和海王星之间的天王星，则看木星质量到底多大才能决定生存的可能。


　　星空出人意料


　　至于多了一颗恒星照耀的行星是否能产生文明，就有待商榷了，不过可以料想的是，如果那样的行星上真的产生了文明的话，它的天文学和物理学发展肯定会比较慢。因为那里白天长黑夜短，那里的科学家恐怕积累不了太多的观测资料，而缺少足够的星空资料，天文学的发展就无从谈起。另外，双星系统中行星的运转都过于复杂，那里即使产生了开普勒这样科学大师，恐怕穷其一生都分析不出开普勒三定律，而没有开普勒三定律为基础的话，牛顿就算被1000只苹果打破了头也创立不了万有引力定律，没有万有引力定律，他们又怎么能计算星空？
　　不过，天文学家对于双星系统为什么能够存在行星感到好奇，因为从行星形成理论上，双星系统在形成之初，它们的引力会彼此干扰，使得尘埃和气体没有机会凝聚起来形成行星，接下来，两大恒星再把这些物质清扫一空。相应的太阳系里的例子是，木星内侧的小行星带里，就没能形成一颗大行星，而木星还时不时把一些倒霉的小家伙拉过来变成卫星或者干脆吃下去。如果木星足够大，大到成为另一颗恒星，那么木星内侧水星、金星、地球和火星都将不存在。
　　有科学家指出，双星系统中的行星可能都不是一开始形成的，而是后来从别处俘获的。宇宙中有一些无家可归、独自流浪的行星，它们如果漂浮到一个双星系统附近，就会被双星俘获。如此看来，我们对恒星和行星的形成机制还需要进一步认识，浩瀚的星空还有很多秘密等待我们去揭开。

魔神天祖

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