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(jean le rond d'alembert)和莱昂哈德·欧拉(leonhard euler)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r2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r2)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