Bài toán ba vật thể là gì? Nó có thực sự không thể giải được không?

Giúp NTDVN sửa lỗi

Bài toán ba vật thể là một câu đố vật lý hóc búa đã khiến các nhà khoa học bối rối kể từ thời Isaac Newton. Nhưng nó là gì, tại sao lại khó giải quyết như vậy?

Billy Quarles, một nhà động lực học hành tinh tại Đại học bang Valdosta ở Georgia, nói với Live Science: Bài toán ba vật thể mô tả một hệ gồm ba vật thể tác dụng lực hấp dẫn lên nhau. Nghe có vẻ đơn giản, nhưng đây là một bài toán nổi tiếng khó nhằn và là "nỗi lo thực sự đầu tiên của Newton".

Trong một hệ chỉ có hai vật, chẳng hạn như một hành tinh và một ngôi sao, việc tính toán cách chúng sẽ di chuyển xung quanh nhau khá đơn giản: Hầu hết thời gian, hai vật thể đó sẽ quay vòng tròn xung quanh tâm khối của chúng và quay trở lại vị trí ban đầu sau mỗi vòng quay. Nhưng nếu thêm một vật thể thứ ba, chẳng hạn như một ngôi sao khác, thì mọi thứ trở nên phức tạp hơn rất nhiều. Vật thể thứ ba sẽ tác dụng lực hấp dẫn lên hai vật thể đang quay quanh nhau, kéo chúng ra khỏi những quỹ đạo có thể dự đoán.

Chuyển động của ba vật thể phụ thuộc vào trạng thái ban đầu - vị trí, vận tốc và khối lượng của chúng. Tuy nhiên, nếu chỉ một trong số những biến số đó thay đổi, chuyển động cuối cùng có thể sẽ hoàn toàn khác biệt.

Shane Ross, một nhà toán học ứng dụng tại Virginia Tech, nói với Live Science: "Tôi nghĩ điều đó giống như khi bạn đang đi dọc theo một sườn núi. Với một thay đổi nhỏ, bạn có thể ngã sang bên phải hoặc bên trái. Đó là hai vị trí ban đầu rất gần nhau, và chúng có thể dẫn đến các trạng thái hoàn toàn khác nhau".

Ross cho biết, chúng ta không có đủ điều kiện ràng buộc để giải quyết bài toán ba vật thể bằng các phương trình. Nhưng người ta đã tìm thấy một số lời giải cho bài toán này. Chẳng hạn, nếu điều kiện ban đầu thích hợp, ba vật thể có khối lượng bằng nhau có thể di chuyển theo một hình số tám. Tuy nhiên, khi nói đến các hệ thống thực tế trong không gian, những lời giải gọn gàng như vậy chỉ là ngoại lệ.

Một số điều kiện nhất định có thể làm cho bài toán ba vật thể dễ phân tích hơn. Hãy xét Tatooine, thế giới quê hương hư cấu của Luke Skywalker trong bộ phim "Chiến tranh giữa các vì sao" - một hành tinh duy nhất quay quanh hai mặt trời. Hai ngôi sao đó và hành tinh tạo thành một hệ ba vật thể. Nhưng nếu hành tinh này đủ xa và quay quanh cả hai ngôi sao, thì có thể đơn giản hóa bài toán.

Quarles cho biết: "Trong trường hợp Tatooine, miễn là hành tinh đủ xa hệ hai ngôi sao ở trung tâm, thì bạn có thể coi hệ hai ngôi sao giống như một ngôi sao lớn hơn". Bởi vì hành tinh này không tác động nhiều lực lên các ngôi sao vì nó có khối lượng nhỏ hơn rất nhiều, cho nên hệ thống trở nên tương tự như bài toán hai vật. Cho đến nay, các nhà khoa học đã tìm thấy hơn một chục ngoại hành tinh giống Tatooine, Quarles nói với Live Science.

Nhưng thông thường, quỹ đạo của ba vật thể không bao giờ thực sự ổn định. Lực hấp dẫn có thể khiến hai trong số ba vật thể va chạm, hoặc ném một trong những vật thể ra khỏi hệ mãi mãi. Điều này dẫn đến các "hành tinh lang thang" không quay quanh bất kỳ ngôi sao nào. Trên thực tế, hệ ba vật thể có thể phổ biến trong không gian đến nỗi các nhà khoa học ước tính số lượng hành tinh lang thang có thể gấp 20 lần số ngôi sao trong thiên hà của chúng ta.

Khi tất cả các phương pháp khác thất bại, các nhà khoa học có thể sử dụng máy tính để ước tính chuyển động của các vật trong một hệ ba vật thể cụ thể nào đó. Điều này cho phép dự đoán chuyển động của một tên lửa được phóng lên quỹ đạo quanh Trái đất, hoặc số phận của một hành tinh trong một hệ thống có nhiều ngôi sao.

Theo Livesciences



BÀI CHỌN LỌC

Bài toán ba vật thể là gì? Nó có thực sự không thể giải được không?