非歐幾何學是怎麼從歐式幾何學的夾縫中誕生的?

2020-12-27 徐曉亞然

2000多年前的歐幾裡得大師,憑藉五條最最基礎的公理,經過一系列嚴謹的邏輯推演證明,最終得出了博大精深的幾何世界。歐幾裡得第一次用幾何的語言來描述我們的世界,也讓人第一次見識到了邏輯證明的魅力。

歐幾裡得大師

在這5條公理裡有4條是非常顯而易見的,除了第5條看起來不像是一個很基礎的概念以外。第5條公理,我們又叫做平行公理。

「同一平面內的兩條直線與第三條直線相交,若其中一側的兩個內角之和小於二直角,則該兩直線必在這一側相交。」

這看起來就不像是一個簡單的公理,仿佛可以由另外4條公理推導而來。歷史上很多著名的幾何學家都幹過這事,不過,從來都沒有成功過。

於是人們開始領悟到,也許這第5公理,只是在歐式幾何世界裡的一個特性,並不是幾何學的全貌。如果我們創建一個別的第5公理,也許就可以推演出一門全新的幾何學,也就是非歐幾何學。

羅巴切夫斯基

在非歐幾何學的創建上,德國的高斯,俄國的羅巴切夫斯基、匈牙利數學家波爾約最先意識到,第5公理是可以被替代的。1830年,羅巴切夫斯基用羅氏平行公理替代了歐式幾何學中的平行公理,創立了第一個非歐幾何學——羅巴切夫斯基幾何。在這門幾何學裡有個基礎前提,「即在一個平面上,過已知直線外一點至少有兩條直線與該直線不相交。」而在歐式幾何學裡,就只能作出一條滿足條件的直線來。非歐幾何學一出,人們也意識到,我們身邊熟悉的形狀,輪廓並不是整個世界全部的面貌。這個世界仍然充滿著未知的神奇。

黎曼大神

1854年,黎曼大神又提出了一種新的幾何學,在黎曼幾何裡,他用這條一條奇怪的公理來替代了平行公理,「平面上兩條直線一定相交。」黎曼幾何在剛剛提出的時候並沒有引起什麼太大的波瀾,人們只是認為這是一種構造神奇的特別空間而已。

非歐幾何學的魅力

直到1916年,愛因斯坦廣義相對論的提出,愛因斯坦放棄了時空是均勻的這個人盡皆知的前提,整個時空只在小部分裡保持均勻。這一點剛好和黎曼幾何的意義相當符合,由此黎曼幾何也成了廣義相對論的數學基礎,經受住了一次次嚴苛實驗的考驗。

非歐幾何是從歐式幾何學的漏洞裡艱難涅槃而出的,但是一旦掙脫出來就會綻放出巨大的光芒。我們所見的世界絕對不是整個世界的全部,這個世界比我們想像中要更大更精彩。

黎曼幾何為廣義相對論提供了數學模型

另外,數學工具就像是戰爭時期的糧草一樣,所謂「三軍未動,糧草先行。」黎曼當年提出黎曼幾何的時候,是絕對不會想到自己的理論在60年以後會給人類最偉大的理論提供數學加持。

總之,數學永遠走在那些需要它們的理論定律前面。

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