142 通 識 教 與 學而 「 兩 體 問 題 」 所 產 生 的 軌 道 在 天 體 的 相 互 影 響 下 變 形 , 橢 圓 軌 道 往往 只 能 說 是 粗 略 的 「 初 步 漸 近 」 而 已 。不 少 這 些 「 多 體 問 題 」 可 以 用 按 部 就 班 、 煩 而 不 難 的 「 攝 動 」(perturbation) 演 算 法 來 解 決 。 但 此 演 算 法 並 非 萬 能 , 例 如 : 兩 顆 鄰近 繞 日 天 體 軌 道 的 週 期 如 成 整 數 比 , 便 可 能 產 生 出 人 意 表 、 絕 不 重 複的 「 混 沌 軌 道 」; 而 「 攝 動 」 演 算 法 對 於 此 計 算 顯 得 無 能 為 力 。 這 些「 不 軌 行 為 」 在 太 古 時 代 可 能 已 主 宰 了 太 陽 系 行 星 的 形 成 , 影 響 了 地球 生 物 過 去 的 兩 次 大 絕 滅 , 更 可 能 在 遼 遠 的 將 來 , 致 令 所 有 行 星 軌 道趨 向 混 沌 。除 了 這 些 問 題 之 外 , 還 有 一 個 影 響 軌 道 的 枝 節 問 題 : 水 星 軌道 顯 出 牛 頓 力 學 無 法 完 滿 解 釋 的 「 近 日 點 進 動 」(advance <strong>of</strong> theperihelion); 但 廣 義 相 對 論 指 出 太 陽 重 力 扭 曲 了 空 間 , 供 應 了 經 典 力學 所 無 的 修 正 數 項 。二 、 經 典 力 學 裏 的 「 兩 體 運 動 」開 普 勒 生 於 中 古 動 盪 的 亂 世 , 命 運 坎 坷 。 他 獨 力 研 討 , 經 屢 敗 屢戰 後 , 終 於 用 橢 圓 軌 道 表 達 了 布 拉 赫 (Tycho Brahe) 的 精 確 肉 眼 觀 察數 據 。 2 這 是 劃 時 代 應 用 數 學 工 作 的 勝 利 , 成 績 昭 彰 , 功 不 可 沒 。 但 他所 提 出 的 橢 圓 軌 道 三 大 定 律 , 目 的 只 在 於 描 述 肉 眼 觀 測 下 的 太 陽 系 ,不 但 不 能 與 現 代 儀 器 的 精 確 度 相 比 , 更 沒 有 當 真 解 釋 「 為 甚 麼 」。牛 頓 (I. Newton) 卻 將 所 有 「 兩 體 問 題 」 化 為 經 典 力 學 的 推 論 。 3「 兩 體 問 題 」 討 論 兩 個 只 互 相 影 響 的 質 點 運 動 , 這 就 是 說 : 在 已 知2 布 拉 赫 (1546–1601)。3 牛 頓 (1642–1727)。
彭 金 滿 、 王 永 雄 、 陳 天 機 : 光 天 化 日 下 的 「 不 軌 行 為 」 143兩 個 只 互 相 影 響 的 質 點 (P i,P k), 質 量 和 某 開 始 時 間 (t 0) 的 位 置 和速 度 的 前 提 下 , 以 求 它 們 在 此 後 任 何 時 間 的 位 置 和 速 度 。 我 們 通 常 處理 的 相 互 影 響 , 是 「 反 平 方 」(inverse-square) 的 引 力 , 尤 其 是 萬 有引 力 。 41679 年 , 胡 克 (R. Hooke) 首 先 提 出 反 平 方 萬 有 引 力 定 律 ( 陳天 機 、 王 永 雄 、 彭 金 滿 ,2007); 5 八 年 後 (1687 年 ), 牛 頓 出 版 了劃 時 代 的 《 原 理 》, 以 他 的 三 大 經 典 力 學 定 律 配 合 萬 有 引 力 定 律 , 解答 了 「 兩 體 運 動 」 問 題 , 從 而 修 正 了 開 普 勒 的 行 星 軌 道 三 大 定 律 。「 地 心 論 」 與 「 日 心 論 」 之 爭 從 此 塵 埃 落 定 。 牛 頓 理 論 不 限 於 太 陽 系的 行 星 系 統 , 也 適 用 於 太 陽 系 內 , 行 星 與 衛 星 ( 例 如 地 球 與 月 亮 ) 的互 動 , 和 太 陽 系 外 , 遙 遠 的 星 際 空 間 ; 它 也 讓 我 們 寫 出 多 體 問 題 的 方程 式 , 這 些 方 程 式 後 來 引 出 了 應 用 數 學 的 「 攝 動 」 技 術 ( 見 下 文 「 多體 問 題 的 『 攝 動 』 處 理 」 一 節 ) 和 跨 學 科 、 革 命 性 的 複 雜 性 理 論 ( 見下 文 「 混 沌 現 象 、 蝴 蝶 效 應 與 共 振 」 一 節 )。經 典 力 學 簡 明 易 用 , 三 百 年 以 來 都 被 當 作 金 科 玉 律 , 直 至 十 九 世紀 末 葉 。 現 在 我 們 知 道 , 量 子 力 學 在 微 觀 世 界 裏 , 以 及 廣 義 相 對 論 在高 速 、 超 重 的 領 域 都 分 別 取 代 了 經 典 力 學 ; 然 而 在 日 常 環 境 中 , 經 典力 學 處 理 實 驗 觀 測 數 據 , 已 經 準 確 非 常 , 大 可 放 心 使 用 ; 而 且 受 現 代物 理 學 的 影 響 , 往 往 可 以 寫 成 修 正 數 項 , 介 入 經 典 力 學 的 算 式 。 一 個顯 著 的 例 子 是 水 星 繞 日 運 動 的 詮 釋 ( 見 下 文 「 水 星 軌 道 的 『 近 日 點 進動 』」 一 節 )。4 學 者 往 往 用 「 開 普 勒 問 題 」(the Kepler problem) 來 指 涉 「 反 平 方 引 力 」 下 的 兩 體 問題 , 而 「 反 平 方 引 力 」 也 包 括 電 荷 間 的 吸 引 力 ( 庫 倫 定 律 [Coulomb’s law])。5 胡 克 (1635–1703); 詳 情 可 參 考 陳 天 機 、 王 永 雄 、 彭 金 滿 (2007)。〈 太 陽 系 理 論的 突 破 〉。《 大 學 通 識 報 》, 第 3 期 , 頁 133–151。
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