用計(jì)算機(jī)也很難模擬的三黑洞系統(tǒng)有多混亂？

黑洞，可以說(shuō)是宇宙中最神秘的天體之一了。這個(gè)不可思議的天體，在視界范圍內(nèi)完全藐視任何物理定律，讓我們完全看不到它里面會(huì)發(fā)生什么。即使在視界范圍之外，也有很大區(qū)域受到它恐怖引力的影響，變得十分混亂。質(zhì)點(diǎn)周?chē)嬖诘囊粋€(gè)界面“視界”，一旦進(jìn)入這個(gè)界面，即使光也無(wú)法逃脫。

可是，在這個(gè)宇宙中，即使是黑洞也會(huì)不甘寂寞，有的時(shí)候湊成一對(duì)，組成雙黑洞系統(tǒng)。在雙黑洞系統(tǒng)內(nèi)，空間會(huì)變得更加凌亂。

更讓科學(xué)家震驚的是，2014年，南非開(kāi)普敦大學(xué)的Roger?Deane等人在《自然》期刊上發(fā)表文章，宣布他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的三黑洞系統(tǒng)。這個(gè)三黑洞系統(tǒng)，位于一個(gè)名叫 SDSS J150243.09+111557.3的星系中(我承認(rèn)，對(duì)于你們來(lái)說(shuō)，這個(gè)名字可能比三黑洞系統(tǒng)還要混亂)。早在這之前，天文學(xué)家就發(fā)現(xiàn)到它了，不過(guò)一直認(rèn)為是類(lèi)星體，后來(lái)才確定了三黑洞系統(tǒng)的身份。

2019年的時(shí)候，天文學(xué)家又在名為SDSS J084905.51+111447.2的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)三黑洞系統(tǒng)。隨后，天文學(xué)家利用廣域紅外巡天探測(cè)器”(WISE)和錢(qián)德拉X射線(xiàn)太空望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備進(jìn)行了紅外和X射線(xiàn)數(shù)據(jù)收集，確定了三黑洞系統(tǒng)的身份。他們指出，三個(gè)黑洞之間的距離在1-3萬(wàn)光年之間。而且，它們之間的距離正在逐漸縮小，未來(lái)很有可能相撞，引起一場(chǎng)宇宙中的巨大波瀾。

但是，盡管天文學(xué)家們提出了這個(gè)說(shuō)法，但目前仍不能精確地描述它們的軌跡和運(yùn)行機(jī)制。葡萄牙阿威羅大學(xué)天文學(xué)家Tjarda Boekholt和他的同事們?cè)?月份的《英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》上發(fā)表文章稱(chēng)：即使你能在物理上盡可能精確地測(cè)量出三個(gè)黑洞的位置，你仍然可能不知道黑洞會(huì)去哪里。

很多人認(rèn)為，通過(guò)現(xiàn)在的萬(wàn)有引力定律和愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，我們應(yīng)該可以很好地推測(cè)出一顆天體的運(yùn)動(dòng)模式。比如1846年，天文學(xué)家正是通過(guò)計(jì)算而發(fā)現(xiàn)了海王星?；蛘咴诂F(xiàn)代，只要發(fā)現(xiàn)一顆近地小行星，我們就能基本上確定它何時(shí)會(huì)靠近地球、以多遠(yuǎn)的距離和我們擦肩而過(guò)而不會(huì)威脅到我們、甚至可以推算出10000年后我們將會(huì)看到怎樣的星空。難道對(duì)于黑洞，反而無(wú)法計(jì)算了嗎?

事實(shí)證明，還真是這樣。因?yàn)楹诙吹囊?shí)在太強(qiáng)了，所以一些微小的因素變化就能導(dǎo)致巨大的差別。

他們解釋說(shuō)：這就是蝴蝶效應(yīng)的體現(xiàn)之一。蝴蝶效應(yīng)指的是一只在亞馬遜雨林的蝴蝶扇動(dòng)一下翅膀，可能會(huì)導(dǎo)致空氣波動(dòng)，最終掀起北美洲的一場(chǎng)風(fēng)暴。對(duì)于三黑洞系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，情況也是如此。一點(diǎn)微小的引力、位置變化，就可能對(duì)最終結(jié)果造成巨大的差別。

Boekholt和他的同事們利用計(jì)算機(jī)，進(jìn)行了相關(guān)的模擬。他們的想法是：如果三黑洞系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)對(duì)于位置等因素的變化沒(méi)有那么敏感，那么只要讓模擬中的三黑洞系統(tǒng)延時(shí)間流動(dòng)方向運(yùn)行到一定時(shí)間，然后讓時(shí)間逆轉(zhuǎn)、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，說(shuō)明它們沒(méi)有那么敏感;如果變化很大，那就證明我們將很難預(yù)言一個(gè)三黑洞系統(tǒng)會(huì)如何演化。

在這個(gè)過(guò)程中，他們只要設(shè)定好黑洞的基本信息，然后反復(fù)進(jìn)行正向時(shí)間的模擬和時(shí)間逆流的模擬再做對(duì)比即可。這個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)，所需要的變量不多。為什么呢?因?yàn)橛?jì)算機(jī)的精度有限，它模擬不出一個(gè)無(wú)限不循環(huán)小數(shù)，只能精確到小數(shù)點(diǎn)后某一位。因此，即使平時(shí)計(jì)算時(shí)看起來(lái)已經(jīng)非常精確了，但還沒(méi)有達(dá)到完美。比如π，即使取到小數(shù)點(diǎn)后一萬(wàn)位，也仍然不等于π，只是盡量地近似于π。

他們就是要看看，這種微小的誤差會(huì)造成多大的結(jié)果差異。

于是，他們開(kāi)始模擬。在計(jì)算機(jī)中，三個(gè)黑洞開(kāi)始運(yùn)行。這個(gè)模擬進(jìn)行了幾千萬(wàn)年，得到了三個(gè)黑洞的最終位置。然后，再進(jìn)行反演，通過(guò)這三個(gè)黑洞的最終位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，倒推它們?cè)趲浊f(wàn)年前都在哪里。

反復(fù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，很多情況下，他們倒推回去的黑洞位置，和最初已經(jīng)有了很大的差別。

為了確定三黑洞系統(tǒng)對(duì)位置的差別有多么敏感，他們不斷縮小誤差，盡量精確。令人驚訝的是，即使三個(gè)黑洞的相對(duì)距離偏差了僅僅普朗克長(zhǎng)度(1.6x10^-35米)，仍有5%的情況下會(huì)出現(xiàn)位置的偏差。

我們知道，普朗克長(zhǎng)度已經(jīng)是距離的極限了，我們不可能讓距離更小了。這意味著，不僅我們對(duì)于黑洞的演化很難推測(cè)，也很難對(duì)現(xiàn)在這些黑洞的過(guò)去有一個(gè)非常準(zhǔn)確的反演。

這讓我想起了比特幣所涉及到的哈希運(yùn)算：正向計(jì)算很簡(jiǎn)單，但是用結(jié)果推測(cè)最初的自變量極難，或者說(shuō)幾乎不可能。而三黑洞系統(tǒng)，由于精度、影響因素繁多等原因，甚至連正向計(jì)算都極難。

雙星系統(tǒng)至少?gòu)奈覀円阎念I(lǐng)域來(lái)說(shuō)，孕育生命的概率不太高，就更不用說(shuō)三體系統(tǒng)了。我們大概率相信，未來(lái)人類(lèi)也許有足夠先進(jìn)的科技，能夠解開(kāi)這些復(fù)雜的“運(yùn)算”，把握雙星、三星、三黑洞甚至更復(fù)雜的宇宙系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。