Wo ist die reale Welt des „Dreikörperproblems“?

Kürzlich wurde der Animationsfilm „Die drei Sonnen“ veröffentlicht, der sofort im gesamten Internet für Furore sorgte; das Video wurde am selben Tag über 100 Millionen Mal angesehen.

Der Grund für die große Popularität von „Das Drei-Körper-Problem“ liegt darin, dass viele seiner Inhalte aus der realen Welt stammen. Beispielsweise gibt es einen Prototyp der Dreikörpergalaxie.

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Die Heimat der Dreikörpermenschen

Es stellt sich heraus, dass es uns so "nah" ist

Der Titel „Das Dreikörperproblem“ stammt von einem aus drei Sternen bestehenden System – Alpha Centauri, auch bekannt als Alpha Centauri. Das α im Namen bedeutet, dass dieser Stern der hellste Stern im Sternbild Centaurus ist – denn von der Erde aus kann das menschliche Auge bei diesem hellen Fleck am Nachthimmel nicht erkennen, dass es sich um ein Dreifachsternsystem handelt.

Centaurus, wobei Alpha Centauri der größte Stern in der unteren linken Ecke ist. Bildquelle: Visual China

Alpha Centauri ist das der Sonne am nächsten gelegene Sternensystem und dieser Nachbar ist nur 4,3 Lichtjahre von uns entfernt. Wie gering ist dieser Abstand? Die Oortsche Wolke, der Rand des Sonnensystems und Heimat vieler Kometen, ist etwa zwei Lichtjahre von der Sonne entfernt, was der halben Entfernung von der Sonne zu Alpha Centauri entspricht.

Darstellung der Entfernung zwischen Alpha Centauri und der Sonne. Bildquelle: Wikipedia

Aufgrund seiner Nähe erscheint Alpha Centauri am Nachthimmel sehr hell. Seine Helligkeit ist nach Sirius und Canopus die dritthellste unter den Sternen. Allerdings ist seine Position am Himmel zu „niedrig“, und in unserem Land können ihn nur die Menschen in einigen südlichen Provinzen sehen.

Alpha Centauri war schon immer ein Ehrengast in Science-Fiction-Werken. Neben „Das Drei-Körper-Problem“ ist es das Ziel der Erde in „Die wandernde Erde“; Auch Pandora aus „Avatar“ ist hier; sogar die Außerirdischen in „Per Anhalter durch die Galaxis“ sagten zu den Erdlingen: „Ihr wart noch nicht einmal in Alpha Centauri? Das ist ja schade!“

Alpha Centauri im realen Sternenhimmel (der helle Stern in der unteren rechten Ecke des Fotos) und Beta befindet sich über der Antenne. Bildquelle: Wikipedia

In dem Roman „Die drei Sonnen“ nannten die Trisolaraner die Zeit, in der der Planet durch die kombinierten Effekte dreier Sterne beeinflusst wurde, das Zeitalter des Chaos. In der chaotischen Ära des Dreikörperplaneten befanden sich die Jahreszeiten sowie Tag und Nacht in einem unvorhersehbaren chaotischen Zustand. Einmal waren die drei Sterne direkt in einer Linie verbunden und die enorme Gravitationskraft saugte die Dreikörpermenschen direkt in den Himmel.

Das Gegenteil der Chaos-Ära ist die stabile Ära. Das Symbol der stabilen Ära sind zwei fliegende Sterne (zwei helle Punkte am Himmel), was bedeutet, dass zwei Sterne weggeflogen sind und der Dreikörperplanet vorübergehend nur von einem Stern beeinflusst wird, genau wie die Erde heute.

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Wenn die Trisolaraner jedoch tatsächlich im Alpha-Centauri-System leben, müssen sie sich über den Ausbruch der Chaos-Ära eigentlich keine Sorgen machen.

Von den drei Sternen sind Alpha Centauri A und Alpha Centauri B etwa so groß wie unsere Sonne. Sie bilden ein Doppelsternsystem und kreisen umeinander. Der größte Abstand zwischen ihnen beträgt nur mehr als 30 Astronomische Einheiten (AE), was etwa der Entfernung von der Sonne zu Pluto entspricht.

Ein imaginäres Bild des Doppelsternsystems bestehend aus Alpha Centauri A und -B und den sie umkreisenden Planeten, mit der Sonne in der oberen rechten Ecke. Bildquelle: NASA

Der dritte Stern, Alpha Centauri C, ist ein Roter Zwerg, der kleiner und schwächer als die Sonne ist und dieses Doppelsternsystem in einiger Entfernung umkreist. Dieses „weit weg“ ist sehr weit weg, etwa 15.000 astronomische Einheiten. Was bedeutet dieser Abstand? Voyager 1, die am weitesten vom Sonnensystem entfernte menschliche Sonde, benötigte 41 Jahre, um weniger als 150 astronomische Einheiten zurückzulegen. Wenn Sie die anderen beiden Sterne auf Alpha Centauri C betrachten, sind sie nur zwei gewöhnliche kleine helle Flecken am strahlenden Sternenhimmel.

Vergleich der Größen der Sonne, Alpha Centauri A, Alpha Centauri B und des roten Zwergsterns Alpha Centauri C (Proxima). Bildquelle: Wikipedia

Das Zwei-Sterne-System kann stabil arbeiten. Sie rotieren um einen gemeinsamen Schwerpunkt. Wenn sie ihnen folgen, können die Trisolaraner gut leben. Wenn sie dem entfernten Stern C folgen, müssen sie sich im Grunde keine Sorgen über den Einfluss der beiden entfernten Sterne machen und das Leben kann genauso angenehm sein.

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Wandern, zum Dreikörperplaneten...?

„Seht, Kinder, das ist Centaurus, das ist Proxima Centauri, das ist unsere neue Heimat!“ - Die wandernde Erde

Im Roman „Die wandernde Erde“ müssen die Menschen „umherziehen“, weil die Sonne kurz vor einem „Heliumblitz“ steht. Das endgültige Ziel der Menschheit heißt Proxima Centauri, Alpha Centauri C, der rote Zwergstern, der weit entfernt von seinen beiden Brüdern kreist.

Die Entfernung vom Sonnensystem zum Alpha-Centauri-System. Bildquelle: The Wandering Earth

Die Menschen haben diesen Stern nicht nur wegen seiner Nähe ausgewählt, sondern auch, weil seine Lebensdauer viel länger ist als die der Sonne. Proxima Centauri ist hinsichtlich Masse, Volumen und Temperatur viel schwächer als die Sonne, daher verläuft seine Kernfusion sehr langsam und seine Lebensdauer könnte sogar Hunderte von Milliarden oder sogar Billionen von Jahren erreichen. Sie sollten wissen, dass die derzeitige Lebensdauer des Universums nur 13,8 Milliarden Jahre beträgt, sodass man vom Roten Zwerg sagen kann, er sei „so alt wie der Himmel“.

Darüber hinaus verwandelt sich ein Roter Zwerg auch im hohen Alter nicht in einen riesigen Roten Riesen wie die Sonne, sodass es für die Erde völlig unbedenklich ist, in seiner Nähe zu bleiben.

Künstlerische Darstellung eines roten Zwergsterns. Bildquelle: Wikipedia

Es scheint, dass Liu Cixin ein gutes Ziel für die Menschheit gefunden hat? Dies ist tatsächlich nicht der Fall.

Da die Fusionsreaktion eines Roten Zwergs sehr schwach ist, strahlt er nur sehr wenig Energie nach außen ab und die bewohnbare Zone (der Bereich, in dem Wasser in flüssiger Form bleiben kann) liegt sehr nahe am Stern. Proxima b ist ein von Menschen entdeckter Planet, der sich in der bewohnbaren Zone von Proxima Centauri befindet. Er fliegt fast „nahe“ an Proxima Centauri vorbei und die Entfernung zwischen beiden beträgt nur ein Achtel der Entfernung zwischen Merkur und Sonne.

Proxima Centauri und die Planeten in seiner bewohnbaren Zone: Proxima b (der Planet rechts). Bildquelle: NASA

Eine so enge Umlaufbahn hätte zwei schreckliche Folgen. Erstens ist Proxima b wie Merkur durch die Gezeitenkräfte an den Stern gebunden – eine Seite ist immer dem Stern zugewandt, während die andere Seite die Sonne nie sieht; zweitens hat Proxima Centauri ein sehr schlechtes Temperament. Im Jahr 2017 beobachteten Menschen einen starken Ausbruch von Proxima Centauri: Seine Helligkeit nahm innerhalb von 10 Sekunden um das 1.000-fache zu. Die von Proxima b empfangene Strahlung war 4.000-mal höher als die Strahlungsintensität von Sonneneruptionen, die die Erde normalerweise empfängt. Bei einem derart gewaltigen Schaden würde schätzungsweise sogar die Drei-Körper-Zivilisation direkt zerstört werden.

Bild des Flare-Effekts der Explosion von Proxima Centauri. Bildquelle: NASA

Es scheint, dass wir noch eine Weile weitermachen und uns im Doppelsternsystem Alpha Centauri niederlassen sollten.

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„Die Sterne sind unübertroffen“

In dem Roman „Das Dreikörperproblem“ besteht der Hauptgrund, warum die Trisolaraner die Erde besetzen wollen, darin, dass sie das Dreikörperproblem nicht lösen können.

Das sogenannte Dreikörperproblem bezieht sich auf die Bewegungsgesetze dreier Sterne gemeinsam. Die Trisolaraner müssen dieses Gesetz nutzen, um die Zukunft vorherzusagen und sich auf schlechtes Wetter vorzubereiten. Drei Sterne plus drei Planeten sind eigentlich ein Vierkörperproblem, aber die Masse der Planeten ist im Vergleich zu den Sternen sehr klein, daher werden sie im Modell vereinfacht.

Die Menschen testen die „Vorhut“ der Dreikörperflotte – die Flugzeugtröpfchen. Bildquelle: Mein Drei-Körper-Problem: Die Geschichte von Zhang Beihai

Das scheinbar einfache Bewegungssystem dreier Objekte ist in Wirklichkeit äußerst komplex. Sie beeinflussen sich während der gesamten Bewegung gegenseitig und ihre Bahnen verändern sich unregelmäßig. Seit der Einführung von Newtons Mechaniksystem beschäftigt das Dreikörperproblem alle großen Wissenschaftler. Bis 1899 definierte Poincaré, bekannt als „der letzte Generalist in Physik und Mathematik“, das Dreikörperproblem in einer Abhandlung: Dieses Problem hat keine Lösung!

Was Poincaré über keine Lösung sagte, bedeutet nicht, dass es keine Lösung gibt, denn die drei Sterne entsprechen zu jedem Zeitpunkt definitiv einer Position und einem Impuls. Dies sind alles numerische Lösungen. Diese Lösungen können die Menschen einfach nicht mit einer Formel ausdrücken. Sie können jedoch zu einem bestimmten Zeitpunkt immer noch die mathematische Lösung basierend auf den Anfangsbedingungen berechnen.

Wenn man es so betrachtet: Können die Trisolaraner nicht Computer verwenden, um die Positionen der drei Sterne in den nächsten Zehntausenden von Jahren zu berechnen? Doch ganz so einfach ist die Situation nicht.

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Wir alle haben vom „Schmetterlingseffekt“ gehört: Ein Schmetterling, der in den USA mit den Flügeln schlägt, kann in Südostasien einen Sturm auslösen. Dies liegt daran, dass das Wetter ein chaotisches System ist. In einem chaotischen System nimmt die Auswirkung einer winzigen Änderung exponentiell zu, und dieses Vielfache kann innerhalb kurzer Zeit einen astronomischen Wert erreichen. Weder Menschen noch Computer können diese Auswirkungen berechnen. Aus diesem Grund wird für die nächste Woche Regen vorhergesagt, in Wirklichkeit ist der Himmel aber sonnig. Ein kleiner Unterschied kann zu einem großen Unterschied führen.

Der vom Flugzeug aufgewirbelte Luftstrom ist ein chaotisches Modell. Bildquelle: Wikipedia

Das Dreikörperproblem ist ein solches chaotisches System. Die Störung jedes Planeten und sogar jedes Staubpartikels im Universum sowie ein Atemzug oder eine Bewegung der drei Körperfußgänger werden auf lange Sicht sturmartige und entscheidende Auswirkungen auf die Bewegung der drei Sterne haben, wodurch Vorhersagen bedeutungslos werden.

Das Dreikörperproblem ist bereits so kompliziert, aber unsere Erde kann in dem aus neun Planeten bestehenden Sonnensystem stabil funktionieren. Man muss sagen, es ist ein Wunder! Wie Poincaré zu Beginn seiner Abhandlung über das Dreikörperproblem schrieb:

„Die Sterne sind nicht zu übertreffen!“

Quelle: China National Geographic BUCH

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