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第336章 兰勃特投影 2/3

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,欧拉得到了这个奇特的结论。当然,他这个取极限的方法也没什么根据。而且就像达朗贝尔那样,欧拉也设定O是抽象的几何点,没有任何实在物体,而要有个物体的话,至少在某种程度上能够证明点P回弹是合理的。此外,这个解释显然给引力中心赋予了一种斥力,一些牛顿力学的反对者指责椭圆运动中也存在这样的悖论。他们不理解,为什么每颗行星都会花费一半的时间远离吸引着它的太阳。

拉普拉斯:模棱两可的调和

像欧拉和达朗贝尔这样两个当时最杰出的理论学者,却在这样一个看起来十分普通的力学问题上得出了相反的结论。显然,这个问题并不简单。但毫无疑问,他们的后辈很快会尝试终结这场科学争论。1799年,皮埃尔·西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace),这位世纪之交的重要数学家在他的《天体物理》(Traité de mécanique céleste)一书中阐述了他的观点。

拉普拉斯先是回顾了不断压扁椭圆,通过取极限来计算物体落向引力中心的运动规律的方法。接下来,他强调:“朝向焦点的椭圆运动(原文如此)与被压扁到极限的椭圆轨道上的运动有着本质的区别。在前一种情况下,物体会越过焦点,然后会飞到和起始位置同样远的地方;后一种情况下,物体会经过焦点,然后回到起始点。若在远日点(点A),物体具有一个运动轨迹切线方向的速度,不管这个速度多小,它都会引起这种差异。但这种差异不会影响物体抵达焦点所用的时间。”

不论是原文,还是把笔误“椭圆运动”更正为“直线运动”之后,这段话都显得十分模糊。靠着不指名道姓地宣称达朗贝尔(前一种情况)和欧拉(后一种情况)都是对的,拉普拉斯似乎完成了一个壮举,调和了不可调和的矛盾。实际上,虽然他对达朗贝尔的结论没有任何异议,但是他使用了欧拉的证明方式。他引入了无穷扁的椭圆这一有趣的概念,意思就是说,这是一种我们能想象到的最扁的椭圆,但它没有彻底变扁,没有变成欧拉所说的线段。拉普拉斯始终在他的言论中保持着一种模棱两可,他说“物体达到焦点”,但严格来说物体不会经过焦点,因为它的轨迹是一个椭圆。最后,这个惊人的言论虽然有明显的笔误,但是人们认为他与达朗贝尔的观点是一致的,后者的结论在很长时间内都是主流观点。

在《数学史》(Histoire des mathématiques,1758)的第二卷中,让·艾蒂安·蒙蒂克拉(Jean-Étienne Montucla)也对质点P向引力中心点O直线运动的问题进行了研究。他提到了牛顿,但没有提及欧拉,他也认为这种运动是一种极限情况下的椭圆运动,并总结道:“物体不会越过(引力中心)。”但是又他补充道:“我们也能确定它不会回头。因为没有任何能让它反向运动的因素。”蒙蒂克拉明确地反对了欧拉的结论,但是他也早就表达了对达朗贝尔结论的反对,因为在他看来,到达点O的质点P会停在那里。

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