3 Body Problem: het drielichamenprobleem uit de Netflix-serie ontleed

De populaire Netflix-serie 3 Body Problem, die in maart 2024 werd gelanceerd, barst van de onderwerpen waar onze bètawetenschappers zich dagelijks mee bezighouden. Virtuele realiteiten, extra dimensies en geavanceerde nanovezels vormen een rode draad in het verhaal. Maar de hoofdrol is uiteraard weggelegd voor het drielichamenprobleem, in het Engels: three body problem. Wat is dit eigenlijk voor vraagstuk en speelt het een rol in de echte wereld? Promovendi in de theoretische natuurkunde Mick van Vliet en Arno Hoefnagels leggen het uit.

De planeet Trisolaris in de serie 3 Body Problem heeft te maken met periodes van extreme klimaatverandering. Hitte en kou teisteren de bevolking zodanig dat leven nagenoeg onmogelijk is. Precies wannéér een periode van extreme klimaatverandering zich voordoet is niet te voorspellen. De bewoners van Trisolaris zoeken dan ook naarstig naar een nieuw thuis: een planeet om te koloniseren.

De oorzaak van de extreme omstandigheden op Trisolaris is het hemellichamenstelsel waarin zij zich bevindt. De planeet heeft drie zonnen die met hun zwaartekracht elkaars baan beïnvloeden. In een systeem met twee hemellichamen zijn de banen van de hemellichamen heel gemakkelijk te voorspellen. Echter, wanneer er drie hemellichamen in het spel zijn, zoals in het systeem van Trisolaris, dan blijkt dat juist ontzettend moeilijk te zijn. Het is vrijwel onmogelijk te zeggen hoe de zonnen zich bewegen en dus wanneer Trisolaris dicht bij een zon staat - wat leidt tot extreme hitte - of er juist ver van is verwijderd - wat leidt tot enorme vrieskou. Dit vraagstuk verwijst naar het drielichamenprobleem.

Waar twee objecten netjes om elkaar heen draaien, vliegen drie objecten bij wijze van spreken alle kanten op

Alle kanten op vliegen

Het drielichamenprobleem is geen verzinsel; ook in de echte wereld is het een klassiek natuurkundig probleem dat al lange tijd bestaat. Waarom is het zo ingewikkeld? Volgens Van Vliet komt dat doordat de banen van de betrokken hemellichamen ontzettend chaotisch zijn. “Waar twee objecten netjes om elkaar heen draaien, vliegen drie objecten bij wijze van spreken alle kanten op”, legt hij uit. “Een heel kleine verandering in de positie, snelheid of massa van een van de objecten leidt al snel tot gigantische veranderingen in waar ze eindigen”, voegt Hoefnagels daaraan toe.

Er bestaat een oplossing voor het drielichamenprobleem, bedacht door de Finse wiskundige Karl Sundman in het begin van de twintigste eeuw. Hij bewees dat je de oplossing kunt berekenen door een oneindige reeks van termen bij elkaar op te tellen. De oplossing is dus een ingewikkelde formule die bestaat uit een som van oneindig veel kleinere formules. Volgens Hoefnagels kun je hier echter niet écht spreken van een oplossing: “Wil je hier bruikbare resultaten uithalen, dan moet je ongelofelijk veel van deze termen (of deelformules) uitrekenen. Dat zijn er ongeveer 10^8000000 en is zelfs voor computers met de grootste rekenkracht onbegonnen werk. Ter illustratie: het aantal deeltjes in het heelal wordt geschat op 10⁸⁰.

Ecosystemen en klimaat

De wetenschap blijft zich verdiepen in het drielichamenprobleem, zodat we er meer grip op krijgen. Men zoekt bijvoorbeeld naar een simpeler formule, met minder termen. Dat is in de eerste plaats belangrijk voor sterrenkundigen die zich bezighouden met de bewegingen van hemellichamen. Maar er is nog een andere reden waarom het de moeite waard is om het probleem nader te onderzoeken. “Een drielichamensysteem is een van de simpelste voorbeelden van een chaotisch systeem, waarin verschillende onderdelen een complexe interactie met elkaar hebben”, zegt Van Vliet. “Daarmee is het een uitstekende omgeving om meer te leren over chaostheorie, zodat we ook andere chaotische systemen, zoals ecosystemen, het klimaat en stromingen van vloeistoffen beter begrijpen.”

Ik vind het mooi dat de wetenschappers in de serie gewone, gelaagde personages zijn en niet de stereotype ‘stoffige wetenschappers’ zoals je ze vaak ziet

Chaotisch versus tam

Het promotieonderzoek van Van Vliet heeft op een bepaalde manier te maken met het drielichamenprobleem. Hij onderzoekt wiskundige aspecten van natuurkundige theorieën, zoals kwantumveldentheorie en snaartheorie, en kijkt daarbij vooral naar systemen die je kunt omschrijven met eenvoudige vergelijkingen. Deze systemen zijn tam. Complexe systemen daarentegen, zoals een drielichamensysteem, zijn niet tam, maar chaotisch; zij laten zich niet vangen in een eenvoudige formule.

Het onderzoek van Hoefnagels heeft dan weer helemaal niets te maken met het drielichamenprobleem. Hij kijkt ook naar de wiskundige aspecten van kwantumveldentheorie, maar houdt zich op het moment bezig met de vraag welke deeltjes en interacties er waren bij het ontstaan van het universum. “Hiervoor ontwikkel ik technieken waardoor mensen makkelijker fysische resultaten uit de theorie kunnen halen. Dat is erg ingewikkeld, maar gelukkig zijn de berekeningen tam”, zegt hij lachend.

Gelaagde personages

Wat vinden deze twee jonge wetenschappers eigenlijk van de serie 3 Body Problem? “Ik vind het mooi dat de wetenschappers gewone, gelaagde personages zijn en niet de stereotype ‘stoffige wetenschappers’ zoals je ze vaak ziet”, zegt Hoefnagels. Van Vliet sluit zich daarbij aan en vindt vooral de combinatie van natuurkunde en creativiteit interessant. “Het plot gaat over moderne wetenschappelijke concepten en is tegelijkertijd gebaseerd op een eeuwenoud natuurkundig probleem”, zegt hij. “De serie gebruikt natuurkundige fenomenen om een interessant verhaal neer te zetten en doet dat op een heel goede manier.”