龐加萊體,均勻流體球自轉(zhuǎn)時(shí)的一種平衡形狀。1885年,龐加萊證明,除馬克勞林橢球體和雅可比橢球體外,均勻流體自轉(zhuǎn)時(shí)還存在另一類平衡形狀。這類平衡形狀與橢球體相差很小,故在一些文獻(xiàn)中稱為龐加萊橢球體。又因?yàn)槔顏喥罩Z夫已先在1884年提出存在這類平衡形狀,所以在有的文獻(xiàn)中又稱為李亞普諾夫-龐加萊體。

形狀分態(tài)

①梨狀體或卵狀體。和雅可比橢球體相比,一頭稍大,另一頭稍小;

②帶狀體。垂直于自轉(zhuǎn)軸的截面都是橢圓或圓,而子午截面不是橢圓,但與橢圓相差很小。與橢圓比較時(shí),有的弧段上要凸出些,有的則凹下些;

③扇狀體。它的子午截面都是橢圓或圓,而垂直于自轉(zhuǎn)軸的截面不是橢圓,但同橢圓相差很少。與橢圓比較時(shí),有的弧段凸出,有的凹下。

此外,還有一些更復(fù)雜的形狀。

研究經(jīng)過

混沌的發(fā)現(xiàn)

當(dāng)我們試圖描畫由這兩條曲線和它們的無窮次相交(每一次相交都對應(yīng)于一個雙漸近解)構(gòu)成的圖形時(shí),這些相交形成一種格子、絲網(wǎng)或無限密集的網(wǎng)柵結(jié)構(gòu);這兩條曲線從不會自相交叉,但為了無窮多次穿過絲網(wǎng)的網(wǎng)節(jié),它們必須以一種很復(fù)雜的方式折疊回自身之上。這一圖形的復(fù)雜性令人震驚,我甚至不想把它畫出來。沒有什么能給我們一個三體問題復(fù)雜性的更好的概念了。

從截面上一點(diǎn)出發(fā)的系統(tǒng),經(jīng)過一個過程后,當(dāng)它再穿過截面時(shí),卻在另一點(diǎn)交于龐加萊截面,簡直無法預(yù)言它下一次將從哪一點(diǎn)穿過截面;實(shí)際上系統(tǒng)是以無規(guī)的點(diǎn)的序列頻頻穿過龐加萊截面的。這就是混沌,龐加萊在“三體問題”中發(fā)現(xiàn)了混沌!這一發(fā)現(xiàn)表明,即使在“三體系統(tǒng)”,甚至是極為簡化的“希爾約化模型”中,牛頓力學(xué)的確定性原則也受到了挑戰(zhàn),動力系統(tǒng)可能出現(xiàn)極其驚人的復(fù)雜行為。并不像人們原來認(rèn)為的那樣,動力系統(tǒng)從確定性的條件出發(fā)都可以得出確定的、可預(yù)見的結(jié)果;確定性動力學(xué)方程的某些解,出現(xiàn)了不可預(yù)見性,即走向混沌。

其實(shí),在龐加萊動手解決奧斯卡國王的難題的同一年,即1887年,數(shù)學(xué)家布倫斯(Bruns,H.)就已證明,三體問題的9個自由度18個二階微分方程,只有10個運(yùn)動積分,即3個動量積分,3個角動量積分,3個關(guān)于質(zhì)心運(yùn)動的積分和1個能量積分。

1890年,龐加萊將布倫斯的結(jié)論推廣到有攝動參數(shù)的情況;1892年在他的三卷本《天體力學(xué)新方法》的第一卷第四章中,他對這個定理做出了一般表述:在通常的保守問題中,經(jīng)典力學(xué)正則方程除了滿足能量積分外,不滿足其它任何解析、一致的積分。龐加萊的一般性結(jié)論,實(shí)質(zhì)上是指出,可積系統(tǒng)是極少的;許多行為很規(guī)則的系統(tǒng),當(dāng)受到擾動后,可能出現(xiàn)不連續(xù)性,其參數(shù)或初始條件的微小變化,就可能引起復(fù)雜的、甚或是性質(zhì)上的變化。

龐加萊的工作提出了經(jīng)典力學(xué)的確定性原則的適用限度的重大問題,留下了極富啟發(fā)性的論斷和猜想。不過,混沌問題是太復(fù)雜了,龐加萊的時(shí)代還不具備揭示和描述混沌現(xiàn)象的足夠的知識儲備和數(shù)學(xué)工具。雖然憑著他超人的幾何直覺對混沌的復(fù)雜性有所洞察,但是他并不真的是“不想”畫出他所發(fā)現(xiàn)的“同宿柵欄”,而是“無法”把它畫出來。這是只有用電子計(jì)算機(jī)技術(shù)才能處理的復(fù)雜幾何圖象。龐加萊的思想是太超前于他的時(shí)代了,所以他的發(fā)現(xiàn)在半個多世紀(jì)里并未受到科學(xué)界的重視;牛頓力學(xué)確定性的帷幕,仍然厚厚地遮蔽著混沌廣闊富饒的研究領(lǐng)域。