宇宙最复杂的运动是什么？

vagrant01

宇宙最复杂的运动是什么？
作者：一点资讯

falaso

双黑洞合并（Binary-BH Merger）—— 如果我们没有双黑洞合并的运动模型，再大的引力波探测器也很难从噪音中捞出引力波。但是第一个双黑洞的数值解（解析解几乎不可能）直到2005年才被求出 —— 距离Einstein Field Equation 提出过去了整整90年，十年后，第一个引力波事件被观测到。


引力波波形分为3部分：Inspiral：由后牛顿（PN）理论求解，描述的相距甚远的黑洞的引力波波形。Merger：极端非线性，需要Numerical Relativity，合并中的双黑洞。Ringdown：合并成单个BH，可以从微扰论或NR求解。图片来源：LIGO


Einstein （1915）：Einstein场方程 提出的一百年来：

Schwarzschild（1916）：稳态球对称解 （在一站战壕里得到的解，不幸的是几个月后死在了战场上），并且由 Birkhoff Theory 直到Schwarzschild Solution是真空Einstein方程唯一的球队称解。Kerr（1963）：稳态，旋转黑洞解描述全局性质的定理 (e.g. Hawking area theorem)微扰论，仅针对Schwarzschild & Kerr metric，比如后牛顿近似: perturbative expansion in powers of v/cGravitational Waves，远距离上有 transverse traceless gauge 等方法。

但是一百年来，对动态强引力场下的问题，我们没有任何进展 —— 没有解析解，没有近似方法，数值也不成功，恰恰又是GR里最核心的问题

而恰恰动态强引力场下才能产生高频 的引力波，适合于地基引力波望远镜观测
但是，地基引力波望远镜受到的干扰实在太大了，我们需要理论的模型来检测是否检测到了引力件…… 下面是实际LIGO检测到的波形，中央很细的蓝色曲线是15年那次引力波事件的曲线……

蓝线：你看得清我吗？来源：LIGO
上世纪五十年代开始，我们很早地试图从数值上模拟双黑洞合并，但是没有成功，原因在于：
一般的CFD是基于牛顿的时空，时间空间是平直且互相独立
但是Einstein方程中时空是耦合的，度规 往往非解析
而Einstein方程本身是高度非线性偏微分方程
最开始的处理方法：引入ADM split（Arnowitt-Deser-Misner 3+1 split 1962）将Einstein方程改成ADM方程

ADM 3+1 Split
ADM方程的模拟在20世纪60年代（ADM），1970年代（York）就已经被尝试，但是都没有成功。为什么这么难？第一、ADM方程会放大约束中的小误差；第二、黑洞里面有物理奇点；第三、几乎所有spacetime split都很糟糕；最严重的是：ADM方程的数值解几乎不收敛，换句话说，t0时初值的微扰，会在有限时间里产生超过特征尺度的偏差
直到2005年，我们才第一次成功从在数值方法上求解双黑洞合并 Pretorius 2015

NR的思路：
将 Einstein’s field equations 改写成对度规 的初值问题（Pretorius选用了Generalized Harmonic Formulation 方法）


Pretorius 文章中的具体Generalized Harmonic Formulation方法……（这篇paper其实我也没看懂。。）
在初始时空流形片上设置初值（unconstrain）
设置规范（=坐标）条件
在计算机集群上
求解约束（Constraints ）方程（4（+1）耦合非线性二阶椭圆偏微分方程）
求解 evolution eqs（50个耦合的非线性一阶双曲线偏微分方程），时间步进 t += dt


一般处理：
场方程的处理：BSSN，Z4c，Generalized Harmonic Formulation
奇点处理：Moving Punctures, Excision
数值方法：有限差分，谱方法


大部分的代码：BSSN+Moving Punctures+有限差分
BAM Code：Z4c+Moving Punctures+有限差分
Princeton, AEI Harmonic Code: Generalized Harmonic Formulation + Excision + 有限差分
Caltech, SXS Collaboration (SpEC):  Generalized Harmonic Formulation + Excision + 谱方法

现行的代码可以很好的运行三维下双黑洞模拟。但是还有很多挑战，所有的双黑洞合并情况，极端参数（很快的自旋），准确性/分辨率，更多物理机制（物质盘、中微子、磁场、核反应）等等。。


参考资料：
Pretorius F. Evolution of binary black-hole spacetimes.[J]. Physical Review Letters, 2005, 95(12):121101.
Pan Y, Buonanno A, Taracchini A, et al. Inspiral-merger-ringdown waveforms of spinning, precessing black-hole binaries in the effective-one-body formalism[J]. Physical Review D, 2013, 89(8):1-37.
Helvi Witek, Hirotada Okawa, Vitor Cardoso, et al. Higher dimensional Numerical Relativity: code comparison[J]. Physical Review D, 2014, 90(90):084014.

JaStE

如果题主对混沌理论有所了解，就会明白最复杂运动这种说法毫无意义。
简单到三体问题，都没有解析解，任何对于三体问题的模拟计算都会最终陷入混沌。
对于科学研究者，有价值的问题从来不是什么运动最复杂，或者如何复现复杂的真实运动，而是在满足所需的精度要求下如何尽可能简化运动。
简化模型思想是在还原论指导下构建的整个现代科学体系的基石。

afrokido

地球上部分雌性灵长类动物在超市/商场里的运动轨迹。
该轨迹无规律性、不可计算且不可预料。
只要不跟好，可以表现出在任意时候出现在任意位置的量子态。
非常可怕…




如果使用通讯工具企图破坏这种状态：


“你现在在哪？”


那么就有可能会得到叠加态：




“我在一根柱子右边”

any941

这是电子云，大家都不陌生。

电子云就是用小黑点疏密来表示空间各电子出现概率大小的一种图形。
电子在原子核外很小的空间内作高速运动，其运动规律跟一般物体不同，它没有明确的轨道。根据量子力学中的测不准原理，我们不可能同时准确地测定出电子在某一时刻所处的位置和运动速度，也不能描画出它的运动轨迹。因此，人们常用一种能够表示电子在一定时间内在核外空间各处出现机会的模型来描述电子在核外的的运动。

by 百度百科

你以为我只想说电子云模型？接下来才是重点。


单电子宇宙理论，由约翰·惠勒在1940年春天打给理查德·费曼的电话中提出，该理论声称，所有的电子和正电子实际上是唯一一个电子在时间中前行并回溯的结果。

这个想法的实质基于电子在世界线中的时空轨迹。惠勒认为，所有的电子可能是唯一一个电子在其自身时间线中在整个时间线里复杂循环所形成，而非每个电子都有它们自身的世界线。截取整个宇宙时间线的任一时刻，这个电子会因为自身时间线在宇宙时间线中循环而被截取很多次，并且全都是这个电子。
在被截取的这个时刻，一半的世界线会在时间中向未来行进，另一半会在时间中向过去行进。惠勒说向过去行进的可能是电子的反物质，正电子。
实际观测到的电子要远远多于正电子，理论上也是这么认为的。费曼提到，他和惠勒一起提出了这个看法。惠勒推测，可能有未被观测到的正电子隐藏在质子中。
费曼被惠勒的想法所震惊，即反物质是物质在时间线中逆行，并将此归功于惠勒，他在诺贝尔奖演讲中说：
“我认为正电子是电子在时间线中从未来向过去行进，但没有所有电子都是同一个电子的这个想法。那是我偷来的！”

by 百度百科

简言之，宇宙只存在一个电子，遍布全宇宙不说，还在时间线上来回穿梭，这样的运动你说多复杂？


更多内容可以参考https://en.m.wikipedia.org/wiki/One-electron_universe
郑重声明：这只是一种假说，正确性与本人无关。