天體力學和一般力學的基本問題之一,又稱為N體問題,N表示任意正整數。它研究N個質點相互之間在萬有引力作用下的運動規律,對其中每個質點的品質和初始位置、初始速度都不加任何限制。牛頓早就提出瞭這個問題。作為研究天體系統的運動的一種力學模型,N個質點就代表N個天體,,每個質點所受到的作用力就是它們之間的萬有引力。因此,這也是一種特殊的質點系統動力學,並已成為一般力學(理論力學)的專門分支。對於一些特殊形狀的天體,不能作為質點看待時,則須另行研究。三百年來,大量的研究成果使多體問題成為天體力學中各個分支的共同基礎,同時多體問題又有自己獨立的研究課題。主要研究課題可分為兩類;一類是特殊的多體問題,另一類是共同性問題。

  二體問題是最簡單的多體問題(N=2),在牛頓時代就已基本解決。它的運動方程已解出,兩個天體的軌道或一個天體相對於另一天體的軌道都是圓錐曲線(圓、橢圓、拋物線或雙曲線)。隻要知道兩個天體在初始時刻的坐標和速度分量,就可以計算出它們在任何時刻的位置和速度。

  三體問題是多體問題中最著名的特殊問題(N=3)。近三百年來,經過很多第一流的數學傢、力學傢和天文學傢們的艱苦努力,雖然在這方面取得瞭很多成果,但問題仍未解決。因而它成為天體力學中有名的難題。其中主要困難是運動方程解不出來。為瞭應用於具體天體的運動,除瞭繼續研究一般解外,還需要研究一些特殊的三體問題。例如針對太陽系內的小天體,提出瞭限制性三體問題。把其中小天體的質量當作無限小,即它對另外兩個天體的引力可以忽略,這種簡化的三體問題雖然也未完全解決,但得到的特解和運動區域(見平面圓型限制性三體問題)是很有用的,並已推廣到一般的三體問題。另外,用定性方法可以嚴格證明,在一定條件下,三體問題的解可以用時間的冪級數來表示。三體問題的研究已滲透到天體力學各個分支。

  N大於3時,通常就稱為N體問題,它是多體問題中的共同性課題。現在主要是用數值方法和定性方法進行研究。由於電子計算機的迅速發展,對於N為幾百的N 體問題(運動方程為6N階),可用數值方法算出它們在相當長時期內的運動情況。例如外行星的坐標已推算出四百年的結果:一些聚星和星協成員的軌道,則已計算出上百萬年的結果。值得指出的是,星協計算結果與傳統觀念不符。如獵戶座O星協的成員不是在不斷散開,而是在百萬年內忽聚忽散地振動。另外,用數值方法結合分析方法計算瞭太陽系的內行星的軌道變化,同觀測結果比較,可用來研究引力理論。

  二十世紀以來有不少數學傢用定性方法研究N體問題,取得很多重要成果。例如溫特納研究瞭N體問題的特解,證明在一定條件下,N個質點可以組成某種確定的形狀(如直線或多面體等),它在運動中隻有旋轉和伸縮,形狀永遠不變。這種類型的特解取名為中心構形,實際上是三體問題中拉格朗日特解的推廣。而且N個質點在同一直線上相對平衡的特解數目為

!個,這與三體問題的結果一致。另外,還有不少人把三體問題的其他結果,如 碰撞問題、正規化、 俘獲理論等問題推廣到 N體問題,也得到瞭類似的結論。

  

參考書目

 Y.Hagihara,Celestial Mechanics,Vol.I,V,MIT Press,Cambridge,1970~1976.