三黑洞系统的蝴蝶效应,暴露人类科学的落后,我们尚不能预测未来

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在宇宙中,没有什么比黑洞更让人头疼的了。这个宇宙中的怪物,在视界范围内完全藐视任何物理定律,让我们完全不知道里面会发生什么。即使在视界范围之外,也有很大区域受到它恐怖引力的影响,变得十分混乱。

可是,在这个宇宙中,即使是黑洞也会不甘寂寞,有的时候凑成一对,组成双黑洞系统。在双黑洞系统内,空间会变得更加凌乱。

更让科学家震惊的是,2014年,南非开普敦大学的Roger Deane等人在《自然》期刊上发表文章,宣布他们发现了一个惊人的三黑洞系统。这个三黑洞系统,位于一个名叫 SDSS J150243.09+111557.3的星系中(我承认,对于你们来说,这个名字可能比三黑洞系统还要混乱)。早在这之前,天文学家就发现到它了,不过一直认为是类星体,后来才确定了三黑洞系统的身份。

三黑洞系统的蝴蝶效应,暴露人类科学的落后,我们尚不能预测未来-第1张图片-IT新视野

2019年的时候,天文学家又在名为SDSS J084905.51+111447.2的系统中发现了另一个三黑洞系统。随后,天文学家利用广域红外巡天探测器”(WISE)和钱德拉X射线太空望远镜等设备进行了红外和X射线数据收集,确定了三黑洞系统的身份。他们指出,三个黑洞之间的距离在1-3万光年之间。而且,它们之间的距离正在逐渐缩小,未来很有可能相撞,引起一场宇宙中的巨大波澜。

但是,尽管天文学家们提出了这个说法,但目前仍不能精确地描述它们的轨迹和运行机制。葡萄牙阿威罗大学天文学家Tjarda Boekholt和他的同事们在4月份的《英国皇家天文学会月报》上发表文章称:即使你能在物理上尽可能精确地测量出三个黑洞的位置,你仍然可能不知道黑洞会去哪里。

很多人认为,通过现在的万有引力定律和爱因斯坦的相对论,我们应该可以很好地推测出一颗天体的运动模式。比如1846年,天文学家正是通过计算而发现了海王星。或者在现代,只要发现一颗近地小行星,我们就能基本上确定它何时会靠近地球、以多远的距离和我们擦肩而过而不会威胁到我们、甚至可以推算出10000年后我们将会看到怎样的星空。难道对于黑洞,反而无法计算了吗?

事实证明,还真是这样。因为黑洞的引力实在太强了,所以一些微小的因素变化就能导致巨大的差别。

他们解释说:这就是蝴蝶效应的体现之一。蝴蝶效应指的是一只在亚马逊雨林的蝴蝶扇动一下翅膀,可能会导致空气波动,最终掀起北美洲的一场风暴。对于三黑洞系统来说,情况也是如此。一点微小的引力、位置变化,就可能对最终结果造成巨大的差别。

三黑洞系统的蝴蝶效应,暴露人类科学的落后,我们尚不能预测未来-第2张图片-IT新视野

Boekholt和他的同事们利用计算机,进行了相关的模拟。他们的想法是:如果三黑洞系统的运动对于位置等因素的变化没有那么敏感,那么只要让模拟中的三黑洞系统延时间流动方向运行到一定时间,然后让时间逆转、倒退回去,看看和最初的位置是否靠近即可。如果能回到原位,说明它们没有那么敏感;如果变化很大,那就证明我们将很难预言一个三黑洞系统会如何演化。

在这个过程中,他们只要设定好黑洞的基本信息,然后反复进行正向时间的模拟和时间逆流的模拟再做对比即可。这个模拟实验,所需要的变量不多。为什么呢?因为计算机的精度有限,它模拟不出一个无限不循环小数,只能精确到小数点后某一位。因此,即使平时计算时看起来已经非常精确了,但还没有达到完美。比如π,即使取到小数点后一万位,也仍然不等于π,只是尽量地近似于π。

他们就是要看看,这种微小的误差会造成多大的结果差异。

于是,他们开始模拟。在计算机中,三个黑洞开始运行。这个模拟进行了几千万年,得到了三个黑洞的最终位置。然后,再进行反演,通过这三个黑洞的最终位置和运动状态,倒推它们在几千万年前都在哪里。

反复实验的结果显示,很多情况下,他们倒推回去的黑洞位置,和最初已经有了很大的差别。

为了确定三黑洞系统对位置的差别有多么敏感,他们不断缩小误差,尽量精确。令人惊讶的是,即使三个黑洞的相对距离偏差了仅仅普朗克长度(1.6x10^-35米),仍有5%的情况下会出现位置的偏差。

我们知道,普朗克长度已经是距离的极限了,我们不可能让距离更小了。这意味着,不仅我们对于黑洞的演化很难推测,也很难对现在这些黑洞的过去有一个非常准确的反演。

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这让我想起了比特币所涉及到的哈希运算:正向计算很简单,但是用结果推测最初的自变量极难,或者说几乎不可能。而三黑洞系统,由于精度、影响因素繁多等原因,甚至连正向计算都极难。

包括我们上一期刚介绍的双星系统是否能够孕育生命的内容,也提到过类似的想法:我们很难对多引力源的一个系统进行准确的模拟,这是我们目前的技术所限。因此,双星系统至少从我们已知的领域来说,孕育生命的概率不太高,就更不用说三体系统了。

我们大概率相信,未来人类也许有足够先进的科技,能够解开这些复杂的“运算”,把握双星、三星、三黑洞甚至更复杂的宇宙系统的运行规律。但对于现在的我们来说,它们究竟会如何发展,也只能坐在望远镜前,看它们直播了……

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