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數(shù)學心

第五百六十章 保羅·潘勒韋的奇點理論(力學)

數(shù)學心 蔡澤禹 2780 2021-05-26 08:15:09

  早期的科學家在計算力學的時候,遇到一個常見的麻煩,那就是引力的中心的加速度和力是不是無限大?

  科學家花費了一個世紀才認識到這種研究是徒勞的:在奇點,理論遭遇了其極限。

  出現(xiàn)的黑洞這個概念的時候,也難免再次碰到這個躲不開的麻煩。

  奇點存在于許多數(shù)學領域中,我們在研究曲線和曲面、復變函數(shù)以及微分方程時常會遇到它們。

  如今,科學家知道奇點通常是超出他們的理論適用范圍的。

  牛頓說:“在中心點意外還好計算力和對應的速度的變化,但到了引力中心點。我想不出來該怎么運動了。就算沒有橫向速度,直直的落到引力中心點,我也不知道該怎么細細的說。它此時運動速度極快。還有什么能比無窮大的速度更快呢?引力會增長至無窮大。無窮大的速度和并不亞于它的引力,哪一個會占據(jù)上風呢?”牛頓表示很發(fā)愁。

  保羅·阿佩解釋道:“這個運動物體接近點中心點時,速度無限增加,這顯然是無法實現(xiàn)的:在這兩個物體距離為0之前,它們會先發(fā)生碰撞?!碑斎唬⑴迨窃趯嶋H問題上來回答的。并沒有把引力中心看做是真正的一個點而已。

  達朗貝爾論述了這一棘手的問題:“很顯然,會越過引力中心,并不斷遠離,直到它與點中心間的距離與它開始運動時的距離相等。之后,它將重復這個過程,不斷振蕩。”他只考慮速度無窮大,沒有考慮力也會變得無窮大。

  歐拉說:“一個直接落向中心的物體,當中心對它的作用力與距離的平方成反比時,會在到達中心后原路返回?!?p>  達朗貝爾對歐拉說:“你這個錯的離譜,很反直覺。”

  歐拉說:“你知道我是怎么想的?我是假設它的移動軌跡將會是一個橢圓,經(jīng)過繁復論證和計算后,當橢圓扁到極限時,橢圓軌道上的運動就會變?yōu)樵瓉砦恢煤椭行狞c之間來回的直線運動,完全不一樣了?!边@個解釋顯然給引力中心賦予了一種斥力,一些牛頓力學的反對者指責橢圓運動中也存在這樣的悖論。他們不理解,為什么每顆行星都會花費一半的時間遠離吸引著它的太陽。

  拉普拉斯借用了被壓扁的橢圓的概念,他認為:“朝向焦點的橢圓運動與被壓扁到極限的橢圓軌道上的運動有著本質(zhì)的區(qū)別。在前一種情況下,物體會越過焦點,然后會飛到和起始位置同樣遠的地方;后一種情況下,物體會經(jīng)過焦點,然后回到起始點。若在原點,物體具有一個運動軌跡切線方向的速度,不管這個速度多小,它都會引起這種差異。但這種差異不會影響物體抵達焦點所用的時間。”

  拉普拉斯說:“哈哈,直線就是一個無限被壓扁的橢圓?!?p>  讓·艾蒂安·蒙蒂克拉提到了牛頓,但沒有提及歐拉,他也認為這種運動是一種極限情況下的橢圓運動,并總結道:“物體不會越過引力中心?!钡怯炙a充道:“我們也能確定它不會回頭。因為沒有任何能讓它反向運動的因素。歐拉當然也不對。其實物體到達點中心點后停在那里?!边@個很極端了!

  直到1930年,保羅·潘勒韋說:“對于以無窮大的速度到達引力中心的運動質(zhì)點,一瞬間后,問題就無法討論下去了。用經(jīng)典力學不能解釋這個問題。所有的猜測都不具備科學價值。在理性力學中,自由下落的質(zhì)點的運動必然會停在這個奇點上,這個點就像一個點狀的黑洞,最終會“吸收”掉這個質(zhì)點?!边@個奇點,成為了數(shù)學黑洞。

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