Mr. Macho
Writer
Tính toán cách ba vật thể (Three-body problem) quay quanh nhau nổi tiếng là khó - nhưng một nghiên cứu mới có thể tiết lộ 12.000 cách mới để giải bài toán này.
Bài toán ba vật là một câu đố khét tiếng phức tạp trong vật lý và toán học, đồng thời là một ví dụ về mức độ phức tạp của thế giới tự nhiên. Hai vật thể quay quanh nhau, giống như một hành tinh đơn độc quay quanh một ngôi sao, có thể được mô tả chỉ bằng một hoặc hai phương trình toán học. Tuy nhiên, nếu thêm thể thứ ba thì phép toán sẽ trở nên khó hơn nhiều. Bởi vì mỗi vật thể ảnh hưởng đến những vật thể khác bằng lực hấp dẫn của nó, nên việc tính toán quỹ đạo ổn định nơi cả ba vật thể cùng hướng là một công việc phức tạp.
Một hành tinh quay quanh một ngôi sao? Không có gì. Hai hoặc nhiều hành tinh quay quanh một ngôi sao? Đó là một trong những vấn đề lớn nhất trong vật lý thiên văn.
Giờ đây, một nhóm các nhà toán học quốc tế tuyên bố đã tìm ra 12.000 lời giải mới cho bài toán khét tiếng này - một sự bổ sung đáng kể cho hàng trăm kịch bản đã biết trước đó. Công trình của họ đã được xuất bản dưới dạng bản in trước trên cơ sở dữ liệu arXiv, có nghĩa là nó chưa được bình duyệt.
Hơn 300 năm trước, Isaac Newton đã viết ra các định luật chuyển động cơ bản của mình và các nhà toán học đã nghiên cứu giải pháp cho bài toán ba vật kể từ đó. Không có câu trả lời đúng duy nhất; thay vào đó, có nhiều quỹ đạo có thể hoạt động theo các định luật vật lý đối với ba vật thể quay quanh.
Không giống như vòng quay đơn giản của hành tinh chúng ta quanh mặt trời , quỹ đạo của bài toán ba vật thể có thể trông xoắn và rối, giống như bánh quy xoắn và những nét vẽ nguệch ngoạc. 12.000 vật thể mới được phát hiện cũng không ngoại lệ - ba vật thể giả định bắt đầu đứng yên và khi được thả ra, chúng bị kéo thành nhiều hình xoắn ốc khác nhau về phía nhau thông qua trọng lực . Sau đó, chúng lướt qua nhau, di chuyển ra xa hơn, cho đến khi lực hấp dẫn chiếm ưu thế và chúng lại đến với nhau, lặp đi lặp lại mô hình này.
Các quỹ đạo "có cấu trúc không gian và thời gian rất đẹp", tác giả chính của nghiên cứu Ivan Hristov, nhà toán học tại Đại học Sofia ở Bulgaria, nói với New Scientist. Hristov và các đồng nghiệp đã tìm ra những quỹ đạo này bằng cách sử dụng siêu máy tính và anh tin tưởng rằng với công nghệ tốt hơn nữa, anh có thể tìm thấy "gấp năm lần".
Hệ thống ba vật thể khá phổ biến trong vũ trụ; có rất nhiều hệ sao có nhiều hành tinh, hoặc thậm chí nhiều ngôi sao quay quanh nhau. Về lý thuyết, những giải pháp mới này có thể tỏ ra cực kỳ có giá trị đối với các nhà thiên văn học đang cố gắng giải thích vũ trụ. Nhưng chúng chỉ hữu ích nếu chúng ổn định, nghĩa là các mô hình quỹ đạo có thể lặp lại theo thời gian mà không bị vỡ ra, ném một trong các thế giới thành phần vào không gian. Chỉ vì chúng ổn định về mặt lý thuyết không có nghĩa là chúng sẽ đứng vững trước nhiều lực khác có trong một hệ sao thực sự.
Hristov nói: “Sự liên quan về vật lý và thiên văn của chúng sẽ được biết rõ hơn sau khi nghiên cứu về độ ổn định – điều đó rất quan trọng”.
Juhan Frank, một nhà thiên văn học tại Đại học bang Louisiana, người không tham gia vào nghiên cứu, nghi ngờ rằng những quỹ đạo này sẽ ổn định. Ông nói với New Scientist rằng chúng “có lẽ chưa bao giờ được hiện thực hóa trong tự nhiên”. “Sau một tương tác quỹ đạo phức tạp nhưng vẫn có thể dự đoán được, các hệ ba vật thể như vậy có xu hướng vỡ ra thành một hệ nhị phân và một vật thể thứ ba thoát ra ngoài, thường là vật thể có khối lượng nhỏ nhất trong ba vật thể”.
Tuy nhiên, dù thế nào đi chăng nữa, những lời giải này vẫn là một kỳ quan toán học. Theo Hristov, "ổn định hay không ổn định - chúng rất được quan tâm về mặt lý thuyết".
Bài toán ba vật là một câu đố khét tiếng phức tạp trong vật lý và toán học, đồng thời là một ví dụ về mức độ phức tạp của thế giới tự nhiên. Hai vật thể quay quanh nhau, giống như một hành tinh đơn độc quay quanh một ngôi sao, có thể được mô tả chỉ bằng một hoặc hai phương trình toán học. Tuy nhiên, nếu thêm thể thứ ba thì phép toán sẽ trở nên khó hơn nhiều. Bởi vì mỗi vật thể ảnh hưởng đến những vật thể khác bằng lực hấp dẫn của nó, nên việc tính toán quỹ đạo ổn định nơi cả ba vật thể cùng hướng là một công việc phức tạp.
Giờ đây, một nhóm các nhà toán học quốc tế tuyên bố đã tìm ra 12.000 lời giải mới cho bài toán khét tiếng này - một sự bổ sung đáng kể cho hàng trăm kịch bản đã biết trước đó. Công trình của họ đã được xuất bản dưới dạng bản in trước trên cơ sở dữ liệu arXiv, có nghĩa là nó chưa được bình duyệt.
Hơn 300 năm trước, Isaac Newton đã viết ra các định luật chuyển động cơ bản của mình và các nhà toán học đã nghiên cứu giải pháp cho bài toán ba vật kể từ đó. Không có câu trả lời đúng duy nhất; thay vào đó, có nhiều quỹ đạo có thể hoạt động theo các định luật vật lý đối với ba vật thể quay quanh.
Không giống như vòng quay đơn giản của hành tinh chúng ta quanh mặt trời , quỹ đạo của bài toán ba vật thể có thể trông xoắn và rối, giống như bánh quy xoắn và những nét vẽ nguệch ngoạc. 12.000 vật thể mới được phát hiện cũng không ngoại lệ - ba vật thể giả định bắt đầu đứng yên và khi được thả ra, chúng bị kéo thành nhiều hình xoắn ốc khác nhau về phía nhau thông qua trọng lực . Sau đó, chúng lướt qua nhau, di chuyển ra xa hơn, cho đến khi lực hấp dẫn chiếm ưu thế và chúng lại đến với nhau, lặp đi lặp lại mô hình này.
Các quỹ đạo "có cấu trúc không gian và thời gian rất đẹp", tác giả chính của nghiên cứu Ivan Hristov, nhà toán học tại Đại học Sofia ở Bulgaria, nói với New Scientist. Hristov và các đồng nghiệp đã tìm ra những quỹ đạo này bằng cách sử dụng siêu máy tính và anh tin tưởng rằng với công nghệ tốt hơn nữa, anh có thể tìm thấy "gấp năm lần".
Hệ thống ba vật thể khá phổ biến trong vũ trụ; có rất nhiều hệ sao có nhiều hành tinh, hoặc thậm chí nhiều ngôi sao quay quanh nhau. Về lý thuyết, những giải pháp mới này có thể tỏ ra cực kỳ có giá trị đối với các nhà thiên văn học đang cố gắng giải thích vũ trụ. Nhưng chúng chỉ hữu ích nếu chúng ổn định, nghĩa là các mô hình quỹ đạo có thể lặp lại theo thời gian mà không bị vỡ ra, ném một trong các thế giới thành phần vào không gian. Chỉ vì chúng ổn định về mặt lý thuyết không có nghĩa là chúng sẽ đứng vững trước nhiều lực khác có trong một hệ sao thực sự.
Hristov nói: “Sự liên quan về vật lý và thiên văn của chúng sẽ được biết rõ hơn sau khi nghiên cứu về độ ổn định – điều đó rất quan trọng”.
Juhan Frank, một nhà thiên văn học tại Đại học bang Louisiana, người không tham gia vào nghiên cứu, nghi ngờ rằng những quỹ đạo này sẽ ổn định. Ông nói với New Scientist rằng chúng “có lẽ chưa bao giờ được hiện thực hóa trong tự nhiên”. “Sau một tương tác quỹ đạo phức tạp nhưng vẫn có thể dự đoán được, các hệ ba vật thể như vậy có xu hướng vỡ ra thành một hệ nhị phân và một vật thể thứ ba thoát ra ngoài, thường là vật thể có khối lượng nhỏ nhất trong ba vật thể”.
Tuy nhiên, dù thế nào đi chăng nữa, những lời giải này vẫn là một kỳ quan toán học. Theo Hristov, "ổn định hay không ổn định - chúng rất được quan tâm về mặt lý thuyết".
