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Sandbox Physics

引力 · 初态与演化

三体引力实验台

为什么多加一个天体,就失去了通用的轨道公式? 三个天体互相牵制:每一个的运动都在改变另外两个受的力,这些力又反过来改变它自己的运动。除了少数特殊解,这种运动写不出通用的解析公式,只能一步步数值积分,再用守恒量检查算得对不对。

看三个天体沿 8 字形互相追逐,看拉格朗日三角形整体旋转,再看一颗来客从双星旁经过。给其中一个天体一点速度变化,把原来和改动后的两组轨迹叠在一起回放,再用守恒量检查数值结果。

交互模型三体引力实验台
总能量00
总动量大小00
角动量00
最近两体间距00
相对基准的均方根距离00
能量误差 / 初始势能尺度00

来自积分轨迹的数据

两次运行会漂开多远?

实线包含你选的速度微扰;虚线基准质量相同,没有微扰。两次运行各自在起初静止的质心系中演化。分离量是在同一记录时刻,把每个天体和另一次运行中对应的天体相比。

D(t)=13∑i=13∣ri(t)−ri,0(t)∣2D(t)=\sqrt{\frac{1}{3}\sum_{i=1}^{3}\left|\mathbf r_i(t)-\mathbf r_{i,0}(t)\right|^2}

时间、距离与质量采用归一化单位。平面与圆环是坐标参考;显示尺寸不代表物理半径。能量误差除以初始势能的绝对值,因此总能量为零时仍有意义。回放不重新计算轨迹。

物理教程

三体问题:简单定律为何没有简单轨道

背景三个天体里,每一个都在不断改变另外两个的运动。两体问题可以化成一个相对坐标来解,三体系统一般没法这样完全拆开。

为什么值得理解研究太阳系的长期稳定、恒星系统和航天任务,靠的都是数值积分,而不是一条闭式公式。三体问题正好说明了原因。

先抓重点

核心问题
Newton 引力公式很简单,为什么三体轨道通常写不成一个通用解析解?
一句话直觉
难处不在算某一刻的受力,而在于每个天体都在改变别的天体将来的位置,也就改变了它们将来受的力。

核心数学模型

多体加速度

r¨i=G∑j≠imjrj−ri∣rj−ri∣3\ddot{\mathbf r}_i=G\sum_{j\ne i}m_j\frac{\mathbf r_j-\mathbf r_i}{|\mathbf r_j-\mathbf r_i|^3}

每一步都要用所有天体的新位置,重新计算两两之间的引力。

总动量守恒

P=∑imivi=constant\mathbf P=\sum_i m_i\mathbf v_i=\text{constant}

内部引力两两成对抵消,所以孤立系统的质心应做匀速运动。

常见难点

没有通用公式,不等于算不出来

容易误解既然没有公式,就不能预测三体运动。

正确理解数值积分能把有限时间内的运动算得很准;缺的只是一个对任意初始状态都适用的简单表达式。

混沌不破坏守恒律

容易误解轨迹不规则,说明能量或动量不守恒。

正确理解混沌轨迹仍然受守恒量限制;反过来,守恒也不能保证运动是周期的。

动手实验

  1. 01

    观察特殊周期解

    选择“8 字轨道”并打开轨迹。

    你会看到: 三个质量相同的天体一个接一个,沿同一条闭合曲线运动。
  2. 02

    加入微扰

    选择“微扰三角形”,改变速度微扰后重新生成轨迹,比较实线与虚线。

    你会看到: 两条轨迹的分离随时间变化。分离在有限时间里变大,本身还不能证明混沌;稳定轨道附近的小扰动也可能始终有界。
  3. 03

    检查守恒量

    观察白色质心标记,以及能量、动量和角动量记录。

    你会看到: 轨迹很复杂,整个系统的守恒量却基本不变。
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