如果沒有他,愛因斯坦的偉大就要打折扣

2020-12-04 吳國平數學教育

接觸過高等數學知識的人,對「黎曼」這一詞肯定不會陌生,如柯西-黎曼方程、黎曼積分、黎曼引理、黎曼ζ函數、黎曼流形、黎曼映照定理、黎曼空間、黎曼-希爾伯特問題、黎曼思路迴環矩陣等這些定理或公式,都與「黎曼」一詞有關。

在數學分析和微分幾何等領域裡,黎曼就像一個王者,統治著這些數學分支的發展,甚至對物理學等其他領域的發展也產生著重要的影響。

誰是黎曼?黎曼又是什麼樣的數學家?他為什麼能成就愛因斯坦呢?

黎曼全名是波恩哈德·黎曼(1826年—1866年),他是德國著名的數學家,主要的數學成就集中在數學分析和微分幾何兩個領域裡,特別是黎曼開創了黎曼幾何,這是他最偉大的數學成就之一。

黎曼幾何、歐氏幾何和羅氏幾何(羅巴切夫斯基和鮑耶創建的幾何稱為羅氏幾何),這三大幾何是幾何學裡最重要的內容,成為現代幾何學的支架。

黎曼在1826年出生於德國的一個小鎮布列斯倫茨,他從小體弱多病,造成性格較為孤僻,如終生喜歡獨處。

黎曼一開始接觸學習的主課並不是數學,他的父親是一名牧師。受家庭環境的影響,在1846年,黎曼進入哥廷根大學學習的是哲學和神學。

在偶然機會之下,黎曼接觸了一些數學書籍或講座,如高斯關於最小二乘法的演講,從此對數學愛的一發不可收拾,決心走上學習和研究數學的道路。

黎曼把這個想法告訴了父親,並得到了父親的允許,從此便改學數學。

黎曼在大學期間,主要受到 C.G.J.雅可比和P.G.L.狄利克雷等數學家的影響。

在1851年,黎曼就發表了著名的柯西-黎曼方程,( 即論證了複變函數可導的必要充分條件) 。同時,黎曼藉助狄利克雷原理闡述了黎曼映射定理,並成為函數的幾何理論的基礎。

在1853年,黎曼定義了黎曼積分,並進一步研究了三角級數收斂的準則。

在1854年,黎曼建立了著名的黎曼空間的概念,直接把歐氏幾何、非歐幾何納入了黎曼空間的體系之中。

也就是在同一年(1854年),黎曼發表了著名的演說《論作為幾何學基礎的假設》,告訴世人還存在著另一種幾何學,並創立了黎曼幾何學,開創了幾何學的一片新的廣闊領域。

那麼,如何去理解黎曼幾何呢?

在很多人的常識裡,兩條平行的直線是不存在著交點,但這個定理在黎曼幾何是「錯誤」的。因為在黎曼幾何中是這樣去規定:在同一平面內任何兩條直線都有公共點(交點)。直白的講,在黎曼幾何學中是不承認平行線的存在。同時,黎曼幾何還講到:直線可以無限延長,但總的長度是有限的。

因此,按照這些基本規定,在黎曼的設想裡,黎曼幾何的模型是一個經過適當「改進」的球面。更加直白的講,黎曼幾何將曲面本身看成一個獨立的幾何實體,而不是把它僅僅看作歐幾裡得空間中的一個幾何實體。

看到這裡,或許有人會問:到底有沒有平行線?哪種幾何定理才是真的呢?其實,它們都是對的。

在中小學時期,我們接觸的幾何一般是屬於歐式幾何,但在高等數學裡,黎曼幾何和羅氏幾何就佔據著重要的位置。

歐氏幾何、羅氏幾何和黎曼幾何是三種不同,但又緊密聯繫的幾何。這三種幾何在自己的領域裡,所有的命題都構成了一個嚴密的公理體系,各個公理之間滿足了和諧性、完備性和獨立性這三大最基本數學要素。

因此,直線會不會平行,要看你在哪一個幾何學裡去判定。

那麼,歐氏幾何、羅氏幾何和黎曼幾何分別有什麼作用呢?

在現實生活工作中,我們用到的幾何一般都屬於歐式幾何,它就能滿足你的基本生活需求;

在浩瀚的宇宙空間,或是小到原子核世界,就需要用到羅氏幾何;

當我們需要了解某一顆星球的狀況,如在地球的表面研究航海、航空等實際問題,就需要用到黎曼幾何。

嚴謹的說法:歐氏幾何是平直空間中的幾何,羅氏幾何則是負曲率空間中的幾何,黎曼幾何是正曲率空間中的幾何。

從黎曼幾何誕生那一刻起,就註定了不平凡,經過後續一些數學家完善和發展,黎曼幾何不僅對拓撲學、偏微分方程、多復交函數論等數學分支產生重要影響,更直接影響現代物理學的發展。

如偉大的物理學家愛因斯坦,在1915年發表了著名的廣義相對論,正是以黎曼幾何為數學基礎。

愛因斯坦在廣義相對論裡說明到:放棄了關於時空均勻性的觀念,認為時空只是在充分小的空間裡以一種近似性而均勻的,但是整個時空卻是不均勻的。

愛因斯坦關於時空的物理解釋,正是黎曼幾何的數學觀念,因此,愛因斯坦的廣義相對論中的空間幾何本質上就是黎曼幾何。

很多人認為黎曼貢獻了「黎曼幾何」之後,已經算得上是一位偉大的數學家,但沒想到的是黎曼給世人留下更「麻煩」的事情,那就是著名的黎曼猜想。

黎曼猜想可以說是黎曼留給後人的最大難題之一,更是當今數學界最重要的數學難題。因此,希爾伯特在1900年把它列為20世紀數學家應當努力解決的23個數學問題之一,在千禧之年,克雷數學研究所把黎曼猜想當作世界七大數學難題之一。

什麼是黎曼猜想?

它要求解決的是黎曼zeta函數ζ(s)的非平凡零點都位於複平面Re(s)=1/2直線上,數學家們把這條直線稱為臨界線。

很多人聽說過費馬大定理和哥德巴赫猜想,或許沒聽說過黎曼猜想。不過,黎曼猜想在數學上的重要性要遠遠超過另外兩個,因為在當今數學文獻中,已經有超過一千多條的數學命題是以黎曼猜想(或其推廣形式)的成立為前提條件。換句話說,如果黎曼猜想不成立,那麼這一千多條的數學命題就要作廢,屬於假命題,對數學發展的打擊是非常大。

黎曼的主要著作有以下這些:《引力、電、磁》、《數學物理的微分方程》、《單複變函數一般理論的基礎》、《橢圓函數論》、《藉助三角級數表示函數的可能性》、《不超過已知數的素數的數量》、《關於以幾何學為基礎的假設》等。

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  • 如果沒有愛因斯坦,《相對論》會被推遲多久才提出?
    唯獨愛因斯坦力挽狂瀾地拿掉了以太。狹義相對論一旦建立,那麼過渡到廣義相對論就是必然趨勢。不管是誰首先建立起狹義相對論,其都有一個致命的局限性,那就是狹義相對論只適用於慣性系,要想將非慣性系納入到相對論中,那就要重新審視牛頓力學。我想即便是另一個人提出狹義相對論,他也必須面對這樣的問題。
  • 他是物理學歷史上最偉大的導師,沒有之一
    如果說關於牛頓和愛因斯坦誰是物理學歷史上最偉大科學家還有爭論的話,那麼約瑟夫·約翰·湯姆森(Joseph John Thomson)是物理學歷史上最偉大的導師沒有任何爭論。,但是如果討論他們三位誰是更偉大的導師,那麼牛頓和愛因斯坦跟湯姆森完全不在一個量級。
  • 愛因斯坦是物理學史上偉大的天才,他的孩子們呢?
    這是因為大女兒是他們夫妻倆還沒有領結婚證時生的,在當時的社會情況下,有這樣的一個私生子不利於他們步入中產階級或者是從事公務員的工作,所以他們的大女兒很可能是被送到了塞爾維亞的某戶人家收養,當然這些都是從關於愛因斯坦的信件以及從他的朋友那裡得來的信息推測的。
  • 小時候只知道愛因斯坦是偉大的物理學家,長大了知道他是一個渣男
    人人都知道愛因斯坦是個天才是個偉大的物理學家。1905年,創立了狹義相對論,那年他剛剛26歲。,講他如何從一文不名到聲名鵲起,再到成為舉世聞名的偉大科學家。然而面對自己夫人的質問,「你甚至沒有提一下我的名字。」愛因斯坦的回答倒是也渣得很坦白,他說,「沒錯,我根本沒有想過。」
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    人人都知道愛因斯坦是個天才是個偉大的物理學家。1905年,創立了狹義相對論,那年他剛剛26歲。但我們從來不知道在他物理研究的背後有一個甚至智商比他還高的女性,默默幫著他,那個人就是愛因斯坦的第一任妻子—— 米列娃.馬裡奇 。
  • 愛因斯坦真的有傳說中那麼偉大嗎?他的成就有多重要呢?
    愛因斯坦究竟是多麼偉大的科學家呢?他有哪些成就?為什麼那麼多人都認為愛因斯坦是人類史上最偉大的科學家,今天就在這裡好好的說下愛因斯坦有哪些重量級成就。愛因斯坦所生活的時代被稱為物理學的黃金時代,在那個時期,量子力學開始萌芽,我們經常聽到的狄拉克、玻爾、海森堡、德布羅意、薛丁格、普朗克這些偉大的科學家都生活在那段黃金時代裡,要說到愛因斯坦的成就,都要比上面的那些人要高出一個肩膀。
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    愛因斯坦和他閒談了幾句,然後把他打發走,那個小男孩高興萬分。「這樣做真是有點蠢!」愛因斯坦喃喃說道。但是,他怎忍心讓一個孩子掃興呢?隨後來訪的是位眼神渙散、衣衫襤褸的年輕人。他腋下夾著一個文件夾。他向愛因斯坦夫人請求,要見教授幾分鐘說:「我要把我最新的發明介紹給他,我知道他一定會感激我的。」愛爾莎盡了最大的力量,從每天來訪的眾多客人中選出幾位她丈夫願意接見的客人。
  • 愛因斯坦的相對論那麼偉大,為什麼沒有因為相對論獲得諾貝爾獎?
    但是,如果你要問物理學家誰是20世紀物理學家的王者,那結果一定是愛因斯坦。有「上帝之鞭」之稱的物理學家泡利,他誰都不服,見誰都懟,當然愛因斯坦都被他懟過很多次,但在他的心目中物理學家的國王就是愛因斯坦。所以,愛因斯坦實際上並不需要諾貝爾獎來證明自己,相反他願意接受諾獎,反倒會給諾獎無上的榮光。
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    可以說科學使人進步,曾經在工業革命之後,人類開始意識到科學技術對未來的影響,從那個時候起,很多醉心於發明發現的科學家出現了,愛因斯坦就是其中一個。愛因斯坦他是一個天才,沒有人知道他的腦容量裡究竟有多少東西。而他這一生也為人類發明了很多東西,而相對論的提出,更是人類文明史上一個偉大的發現。當然,世界上的科學家很多,但是為啥就愛因斯坦格外的偉大?
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    這些無比至上的讚譽,足以證明愛因斯坦有多麼的偉大和聰明;但是,今天,我們不說愛因斯坦所做的貢獻,只是聊聊在他那令人淪陷的顏值背後,他有多麼的多情,以至於他「招惹」了蘇聯美女特工,導致後者從他那裡「竊取」了核彈秘密。本文從兩人的咖啡館邂逅、淪陷後的專屬愛巢、核彈秘密洩露等3個部分說起。
  • 屠呦呦沒有評上院士,如果愛因斯坦現在來中國能評上院士?
    如果愛因斯坦現在來中國參加評選院士,如果只評一位院士,那這一位必然就是他,這是毫無疑問的。更何況中國每年評選的院士名額將近60名之多,截止到現在,已經有兩千多人獲得院士稱號。這兩千多人都能評上,愛因斯坦會評不上?難道這兩千人都比愛因斯坦強?
  • 愛因斯坦都沒有完成大統一理論,實現75%的楊振寧有多偉大?
    在2018年霍金逝世之前,每當提及在世的最偉大物理學家,很多人可能會想到霍金。但事實上,霍金被人熟知,更多的是因為他是一位身殘志堅的物理學家、宇宙學家。當然,霍金在物理學和宇宙學上也取得了一些成就,主要涉及到廣義相對論,都與黑洞的研究有關,一個是霍金輻射,還有一個是彭羅斯-霍金奇點定理。
  • 我國有沒有科學家,成就超過愛因斯坦,或者和他相提並論?
    文/濤聲依舊我國有沒有科學家,成就超過愛因斯坦,或者和他相提並論?人類科學發展至今,湧現出了很多的偉大科學家,然而其實我們不難發現,這些偉大的科學家大多都是外國的,很少有中國的科學家能夠出現,迄今為止能夠獲得諾貝爾獎的中國科學家非常至少,但是隨著這些年來中國科學的不斷突破,我們中國科學家的身影也在不斷出現在世界舞臺上。
  • 印度超級天才拉馬努金,如果沒有早逝,會是超越愛因斯坦的神人?
    ,他對科學界的貢獻能超越愛因斯坦嗎? 這一年愛因斯坦26歲! 如果到此為止愛因斯坦再無建樹其實也已經足夠了,但愛因斯坦顯然不滿足於此,因為狹義相對論是在理想的狀態下推導的結果,而整個宇宙顯然不是這種特例!在狹義相對論推出後十年的時間裡,愛因斯坦將這種特例推廣到了任何條件下都適用的廣義相對論!
  • 中國為何沒有出現牛頓,愛因斯坦這樣偉大的科學家?真相太直接
    文/行走天涯中國為何沒有出現牛頓,愛因斯坦這樣偉大的科學家?真相有點殘酷世界上曾經出現過很多為偉大的科學家。比如伽利略,牛頓,愛因斯坦,居裡夫人等等,這些科學家幾乎都是世界皆知的。還有一些科學家可能在史書上沒有過多的記載,但是追崇者也是無數的,比如說尼古拉斯特斯拉。這些科學家都在各自的領域當中取得了突破性的進展,比如說愛因斯坦發現了相對論,質量守恆定律等等。愛因斯坦對於後世人的影響是非常重大的。哪怕愛因斯坦已經離開人世多年。