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多体问题

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多体问题是中国的一个科技名词。

汉字是世界上最古老的文字之一[1],已有六千多年的历史。从仓颉造字的古老传说到公元前1000多年前甲骨文的发现,汉字有着深厚的历史底蕴。后来的演变经历了几千年的漫长历程,在形体上逐渐由图形变为笔画,象形[2]变为象征,复杂变为简单;在造字原则上从表形、表意到形声。

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名词解释

天体力学和一般力学的基本问题之一,又称为N体问题,N表示任意正整数。它研究N个质点相互之间在万有引力作用下的运动规律,对其中每个质点的质量和初始位置、初始速度都不加任何限制。

牛顿早就提出了这个问题。作为研究天体系统的运动的一种力学模型,N个质点就代表N个天体,每个质点所受到的作用力就是它们之间的万有引力。因此,这也是一种特殊的质点系统动力学,并已成为一般力学的专门分支。对于一些特殊形状的天体,不能作为质点看待时,则须另行研究。

二体问题

假如两个物体的共同质心是静止的,每一个物体沿着一条圆锥曲线运行,而这条圆锥曲线的焦点与这个系统的质心重合(对于双曲线,是与焦点同侧的那一支)。

假如这两个物体被限制在一起,它们的运动轨迹都为椭圆;这时的势能(经常为一负值)相对于它们离得很远情况在绝对值上大于这个系统总动能(这些物体在它们坐标轴的旋转能这里未计算在内)。

假如它们正在远离,它们将一同沿着抛物线或双曲线运动。

对于双曲线的情况,势能的绝对值小于这个系统的总动能;即两种能量的和为正值。

对于抛物线的情况,两种能量的和为0。当两物体相距很远时,它们的相对速度趋于0。

注释:抛物线轨道的能量为0的事实由当物体相距无限远时,重力势能为0这一假定产生的。系统在无限分离的状态下可以被认为具有任意值(例如42焦)的势能。那一种状态被假定具有0势能(即0焦)。

三体问题

当时的多体问题现在知道得很少。n=3的情况研究得最多,且很多结论可以推广到更大的n。最先尝试解决三体问题是从量化的、寻找显式解的角度。

1767年欧拉找到了共线周期轨道,其中任意质量的三个物体振荡在旋转线上。

1772年拉格朗日发现了一些周期解,存在周期性的扩张和收缩的旋转等边三角形的顶点上。这些解引领了关于中心结构的研究,其中(k为大于零的常数)。

三体问题是很令人费解的。它的解可能是混沌的。Charles Delaunay曾经在地-月-日系统做出了主要研究。他曾于1860年和1867年分别出版了长达900页的关于这个问题的著作。

相关影视作品

多体问题也在电视连续剧《犯罪心理》中"Compulsion"这段被显著提到。

多体问题也出现在1951年科幻电影《地球停转之日》,其中Klaatu为了吸引一位科学家的注意而解决了这个问题。

参考文献