西西文学网 > 玄幻奇幻小说 > 数学心 > 第四百五十八章 保罗·潘勒韦的奇点理论

第四百五十八章 保罗·潘勒韦的奇点理论

    现在,科学家对“奇点”已经习以为常,他们知道,这些点是自己的理论不再适用的地方。但

    18世纪的学者尚未意识到这一点,在探讨经典力学中一个非常简单的问题时,他们也遭遇了一个奇点。为了解决这个经典力学框架下实际上无法解决的问题,包括大数学家欧拉在内的学者们想出了一些稀奇古怪的方法,得出了十分荒谬的结论。科学家花费了一个世纪才认识到这种研究是徒劳的:在奇点,理论遭遇了其极限。

    在天体物理学中,黑洞是一个极为致密的时空区域,没有物质能从中逃逸,甚至连光都不行。这些特殊的天体代表了时空的奇点,它们是引力的数学理论——广义相对论无法描述的区域。奇点存在于许多数学领域中,我们在研究曲线和曲面、复变函数以及微分方程时常会遇到它们。如今,科学家知道奇点通常是超出他们的理论适用范围的。但过去并非如此,科学家最初遭遇奇点时,甚至给出了一些基于不合理论证的奇怪解决方案。18世纪时,著名数学家让·勒朗·达朗贝尔(jeanlerondd‘alembert)和莱昂哈德·欧拉(leonhardeuler)在研究经典理论力学的一个简单问题时就遇到了奇点,这类似于一维空间中的一个点状黑洞,他们没有想到这个奇点会带来多大的困难。

    棘手的问题

    这个问题考虑的是一个质点向另一个质点下落的情况。在经典力学(也叫做牛顿力学)中,为了方便,我们往往借助假想的质点来考虑问题,即一个具有质量的几何点(没有体积或形状)。根据牛顿引力定律,空间中一个固定位置o(即引力中心)上的质点,对另一个与之相距r的质点p施加的引力与r成反比。在r≠0的情况下,这一点是成立的。但当r变为0时,质点p受到的引力就无法定义了,因此对于点p来说,点o便是奇点所在的位置。

    在这里,引力中心o被视为抽象的纯粹几何点,这个点上不存在任何物质实体。这是一种真实世界中不可能存在的情况。但这不妨碍我们考虑这样一个数学问题:质点p在o的引力(反比于r)作用下是如何运动的。

    对于这种条件下的质点运动,牛顿在《自然哲学的数学原理》中已经给出了一个模型:假设在某个给定时刻,质点p在o点之外运动,速度不为0且不在直线op方向上,那么点p将会沿抛物线或双曲线运动,或者以椭圆轨道围绕o旋转,就像那些绕太阳公转的行星那样,并且这三种圆锥曲线的焦点都在o上。但真正让学者困扰的情况是,当质点p在质点o以外以0初速度释放时,它会直接落向点o。计算显示,点p会在有限时间内到达点o,此时它的速度会增加到无穷大。

    这之后呢?点p到达点o之后会发生什么呢?一方面,p似乎只能越过点o沿着这条直线继续运动,因为它此时运动速度极快。还有什么能比无穷大的速度更快呢?另一方面,随着点p不断接近点o,它受到点o的引力不断增大。到点p达到点o时,引力会增长至无穷大,这时点p就无法从点o逃逸出来。那么,无穷大的速度和并不亚于它的引力,哪一个会占据上风呢?

    经典力学领域的权威专家保罗·阿佩尔(paulappell)用他自己的方法解决了这个问题。在他的《经典力学教程》(coursdemécaniquerationnelle,1888),还有后来著名的《经典力学》(traitédemécaniquerationnelle,1893)中,他给了一个解释,指出质点p是不可能到达引力中心的,因为“这个运动物体接近点o时,速度无限增加,这显然是无法实现的:在这两个物体距离为0之前,它们会先发生碰撞。”但是这一解释根本没有回答上文提出的那个纯粹理论问题。我们都知道,在这个问题里,引力中心仅仅是一个几何学上的点。

    达朗贝尔的答案

    当时法国最伟大的数学家达朗贝尔,在他的《数学手册》(opusculesmathématiques,1780)第七卷中论述了这一棘手的问题:“很显然,(质点p)会越过(引力中心),并不断远离,直到它与点o间的距离与它开始运动时的距离相等。之后,它将重复这个过程,不断振荡。”也就是说,运动物体p会在直线方向上以引力中心点o为中心来回振荡。实际上,达朗贝尔刚接触到该问题,就立刻毫不迟疑地得出了这样的结论:运动物体将会越过引力中心继续沿直线运动。他只从动力学方面考虑,由于物体在点o获得无穷大的速度,这个运动必将持续下去。但他没有考虑到,在点o,引力也会增加到无穷大。

    让·勒朗·达朗贝尔认为,在点a释放的质点受到引力中心o的吸引而运动时,会穿过点o,继续运动到点a关于点o的对称点a‘,然后再掉头回来,在点a和点a‘之间来回振荡。

    在1780年出版的著作中,达朗贝尔给出了质点振荡这个答案,但在同一本书中他也介绍了欧拉得出的另一个答案。欧拉,这位18世纪最著名的瑞士数学家先于他的法国同行,得出了一个达朗贝尔本身没有想到,但也不信服的结论。后者在书中写道:“欧拉先生在《力学》(mécanique)一书中提出,一个直接落向(加速中心o点)的物体,当中心对它的作用力与距离的平方成反比时,会在到达(o)后原路返回。但很显然,这位伟大的几何学家在这点上是错误的。”

    毫无疑问,当时与欧拉关系疏远的达朗贝尔很乐于否定欧拉的结果,他称这个结论很荒谬。欧拉是怎样得出这个结论的,确实让人好奇,因它太反直觉了,竟然认为物体会在速度无穷大时突然掉头。这个结论没有考虑两个引起争议的无穷大量,不论是质点p在点o时沿下落方向的速度,还是它在这点受到的引力。

    欧拉的奇特结论

    借助牛顿曾经用过的方法,欧拉在用拉丁语编写的《力学》(mechanica,1736)的第一卷中探讨了这一问题。首先,他假设在初始时刻,质点p位于点a,且有一个垂直于oa方向的初速度va,因此它的移动轨迹将会是一个椭圆,长轴为aa‘,o是其中一个焦点。之后,欧拉假设垂直于oa的速度va不断减小直到零。这样,椭圆就会不断变扁,同时点a‘会不断接近点o,当va减为零时,椭圆会与线段oa重合。

    莱昂哈德·欧拉提出了一个与达朗贝尔不同的结论:他首先设想质点有一个垂直于oa且不为0的速度va,因此它的运动轨迹会是一个焦点为o,长轴为aa‘的椭圆。接着,他减小速度va,直到它变成0,这样椭圆就会不断变扁,这时,点a‘就会不断接近点o。当椭圆扁到极限时,椭圆轨道上的运动就会变为点a和点o之间来回的直线运动,完全不一样了。

    通过把轨道的几何形状和点p的运动速度推向极限