@ 2020.03.26 , 11:00
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3体系统会破坏时间的反演对称性

大多数物理学定律并不关心时间之矢方向。向前、向后……无论哪种方式,大自然的法律都完全适用。牛顿物理学、广义相对论——时间与数学无关:这被称为时间反演对称性。

在真正的宇宙中,事情变得复杂。现在,葡萄牙阿威罗大学的天文学家Tjarda Boekholt领导的团队证明,只需3个重力相互作用的天体就可以破坏时间反转的对称性。

他们在论文中写道:“迄今为止,恒星动力系统中的混沌与不可逆水平之间的定量关系仍然不确定。在这项工作中,我们开创性地使用精确的Brutus n体模拟算法程序来研究引力系统中的混沌三体系统,超越了标准的双精度算法。我们证明,不可逆解系的占比成幂律分布,随着系统混沌程度的增加而增加。”

n体问题是天体物理学中的著名问题。根源在数学上。即使仅仅应用牛顿的运动定律和牛万有引力定律,考察3个或3个以上的天体在彼此的引力下相互作用时,事情就会变得异常棘手。

即使是我们非常熟悉的太阳系,我们也只能预测未来的几百万年的发展。在宇宙中,混乱是一个特征,而非错误。

在模拟n体运动时,物理学家有时会返回时间不可逆的结果——换句话说,反向模拟并不能使它们回到原始起点。

尚不清楚的是,它们来自混沌系统本身的问题,还是计算精度的问题,从而导致其可靠性不确定。

因此,Boekholt和他的同事设计了一个模型来解决这个问题。他和荷兰莱顿大学的计算天体物理学家Simon Portegies Zwart之前编写了一款名为Brutus的n体模拟程序,使用暴力计算来减小数值误差的大小。

现在,他们用它来测试三体系统的时间可逆性。

“由于牛顿的运动方程是时间可逆的,因此向前运行,然后再反向运行,应该可以恢复系统的初始态(尽管速度存在符号差异)。因此,可逆性测试的结果是确切已知的。”

用来模拟的天体是3个黑洞。首先,黑洞从静止开始,彼此靠近,产生复杂的轨道,然后因为引力弹弓的效果,一个黑洞被抛出轨道。

正向模拟到此为止。现在把上述最后“一帧”当做起始,赋予相关对象反向的物理量,尝试将系统还原到初始状态。

他们发现,在5%的时间内,模拟不可逆。返回的结果相当于对初始态进行轻微扰动,尺度为普朗克长度——0.000000000000000000000000000000000000000016米,可能的最小长度。

“三个黑洞的运动可能非常混乱,即时原初状态仅仅出现普朗克长度大小的扰动,但因指数效应,后续发展差之千万里。因此混沌破坏了时间的对称性。”

5%的比例似乎并不高,但是由于混沌系统具有根本上的不可预测性,所以我们永远无法预知哪次模拟会落入该5%范围内。

他们已经证明,问题来自混沌本身。

Portegies Zwart说:“无法回溯时间不再只是一个统计学上的观点。它隐藏在自然的基本定律中。没有一个由3个运动天体(行星或黑洞)组成的单一系统可以摆脱时间的方向。”

该研究已发表在《皇家天文学会月刊》上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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  1. 没品笑话
    @5天 ago
    4518265

    暴力计算还要精度?

  2. Spector
    @5天 ago
    4517617

    还是因为我们的无知吧

  3. Ooopla
    @6天 ago
    4517598

    话说想看上一页的评论但是显示已删除怎么办

  4. 粗大硬
    @6天 ago
    4517408

    现在科学的前沿也是精度问题,比如如何观测更小的维度。
    不过这个问题更像是在回答,因为人类掌握的计算精度有限,而真实世界的精度可能是无限的(pi)

  5. 王大穷逼
    @6天 ago
    4517121

    精度问题吧。本来就是一个浮点数精度,然后要求这个浮点数精度能够完全的模拟现实的情况。

  6. 🐙哥
    @6天 ago
    4516870

    所以翻译过来就是无法计算及预判三体及以上天体的运动轨迹,也无法根据现在的数据反推以前的数据… 所以数学无法计算现实世界所有问题 😆

  7. 調色盤
    @6天 ago
    4516785

    这论文是在证明不是精度问题而是混沌本身就不可逆吧。但已经证明了现实是量子化的了吗? 而且普郎克长度也只是人类测量的极限而不是宇宙本身的极限吧,感觉说到底还是精度问题啊…