Gravitational N-Body
兩個天體互繞,軌道會永遠閉合;加上第三個,軌道就再也算不出來了。 這一頁把「二體穩定、三體混沌」擺在同一個畫面上比較 —— 而且不是靠「看起來很亂」,是靠雙軌對照:同時跑兩份只差 δ 的模擬,看它們什麼時候分家。
在對數座標上,直線 = 指數成長 = 混沌; 曲線往右壓平、斜率越來越小,代表分離只是多項式成長,那是規律運動。 兩者的差別不在「亂不亂」,在這條線是不是直的。
快捷鍵:空白鍵 播放/暫停、R 重置
只有「隨機 N 體」情境可以調整
第二份模擬只有第一顆天體的 x 座標差這麼多
防止近距離飛掠時 1/r² 發散;調太大軌道會失真
辛積分器的證據:它應該一直很小
E < 0 表示系統整體束縛住
另一個該守恆的量
λ̂ 尚未估計
兩個天體在平面上有 8 個自由度,但動量、角動量、能量、還有 Laplace–Runge–Lenz 向量 把它們一路約束到只剩沿著圓錐曲線跑。方程式有封閉解,軌道永遠閉合, 一千年後在哪裡都能直接算出來 —— 不用一步一步跑。
多一個天體,自由度變 12,守恆量卻沒跟著變多。Poincaré 證明了三體問題不存在 足夠的解析積分,系統可以在相空間裡到處亂繞。 結果就是對初始條件的敏感依賴: 差一奈米,幾圈之後就是完全不同的命運。
太陽-行星-衛星是三體,卻穩得可以拿來對時。關鍵不是數量,是 層級分離:內外軌道尺度差夠遠, 內圈就只感覺到外圈的平均效果。試試「雙雙星(4 體)」—— 四個天體照樣穩。
用最直覺的 Euler 積分,二體圓軌道會在幾秒內肉眼可見地向外螺旋 —— 那是積分器在偷偷灌能量, 不是物理。Verlet 是辛 (symplectic) 積分器: 能量會在真值附近小幅震盪,但不會單向漂走。所以「能量漂移」那格才有資格當穩定性的證據。
時間步長固定為 dt = 5×10⁻⁴,用 accumulator 跟畫面更新率脫鉤。 這樣同一組初始條件在任何裝置上跑出來都一樣, 雙軌之間的差異才能保證真的只來自 δ。
重力 1/r² 在 r → 0 時發散,固定步長遇到近距離飛掠必炸。這裡改算 (r² + ε²),而且位能也用同一個 ε —— 這樣軟化後的系統有一個精確守恆的 Hamiltonian,漂移讀數才不會騙人。
λ̂ 是把 ln d(t) 對 t 做最小平方擬合得到的斜率,取樣範圍限制在 「已脫離 δ 的雜訊底線、但還沒撞到系統尺度」之間。 它是有限時間的估計,不是嚴格的 Lyapunov 指數 —— 當成「這條線有多直、多陡」的量化指標來看就好。
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