黎曼幾何是怎麼產生的,為什麼廣義相對論會選擇它

2021-02-15 萬象經驗

格羅斯曼是愛因斯坦的同學,也是第一個看出愛因斯坦很聰明的人。愛因斯坦想為他的廣義相對論尋找數學工具,於是他去請教了他的同學格羅斯曼。他告訴格羅斯曼,這個理論的時空是彎曲的並且還要符合廣義相對性原理。三天後,格羅斯曼建議愛因斯坦看一下黎曼幾何和張量分析。
愛因斯坦希望他的理論的所有量都是張量,這樣的話在進行坐標變換時只需進行張量關係的變換就可以保持方程形式的不變,這非常適合廣義相對性原理。由於張量不是今天的主題,我們就此打住。
歐幾裡得的《幾何原本》有很多公理,其中有一條就是「過直線外的一點可以引一條直線與原直線平行,並且只能引一條」。這條公理比別的公理都長,所以有一些數學家就認為這條公理是不是可以從別的公理證出來。於是有一些人就在那邊證明,證來證去還是證不出來。有些人就想用反證法證明:過直線外一點可以引兩條以上的直線與之平行,結果這條路也行不通。
第一個發現這裡頭大有問題的是匈牙利的年輕數學家鮑耶(做出重大發現的基本上都是年輕人)。他當時也想用反證法證明這個公理,但怎麼也推導不出毛病來。他突然思維產生飛躍:是不是這東西也是對的啊。他就把原來的平行公理給換了,過直線外一點可以引兩條以上直線與之平行。既然他找不到錯誤,他就把這個當成是對的,自己建立了一套新的幾何。他就把這事告訴他的數學家父親,他父親是高斯的同學。他父親就把這情況寫信給高斯,高斯回信:「你兒子的想法我前些年就想過了。」當時這個事鮑耶非常生氣,覺得高斯是想借著自己的威望篡奪他的研究成果,一氣之下不幹了。後來這件事在他父親出版的教材附錄中有提及,所以後人才知道鮑耶對黎曼幾何是有貢獻的。
幾乎和鮑耶同時,俄羅斯的一個數學家羅巴切夫斯基也發現了這一點,於是他把這件事寫信給彼得堡科學院,要求發表。彼得堡科學院的人認為「過直線外的一點能引兩條與之平行的直線」是瞎扯。
羅巴切夫斯基在國內得不到支持,就到歐洲各國去轉。到德國的時候就發表了演講,當時高斯在底下聽了他的演講沒發表任何意見。他講完了以後沒有任何人表示支持,但是他臨走的時候高斯建議德國科學院給他一個通訊院士的稱號。於是他回國了,沙皇一看德國承認他了,認為他很有水平了,於是就讓他去當校長。但是他的理論還是沒有得到任何人的支持,彼得堡科學院還是拒絕發表他的研究成果。最後羅巴切夫斯基雙目失明,他靠口述讓他的學生把成果寫下來了,成為了羅氏幾何。不過他臨死之前知道了他這條理論被承認了。高斯死後,人們在他的日記中看到了這樣的內容:「在羅巴切夫斯基的演講現場,可能就只有我聽懂了。」但是他不想把這件事說出來,因為當時歐幾裡得幾何是教會支持的。
這時候又有一個德國人黎曼,他認為「過直線外的一點不能引出與之平行的線」,然後他也建立了一套幾何,後來這個叫黎氏幾何。黎曼拿著這篇論文到哥廷根大學去求職,得到了一個講師的職位。

羅氏幾何是負曲率幾何,黎氏幾何是正曲率幾何,歐氏幾何是平面幾何。後來黎曼把歐氏幾何、羅氏幾何和黎氏幾何合併起來,建立了黎曼幾何。

相關焦點

  • 黎曼幾何丨平行線相交在這裡,黑洞誕生也在這裡
    可基於黎曼幾何得出的「無平行線」結論,最終成了廣義相對論的數學幫手。黑洞是愛因斯坦廣義相對論預言存在的一種天體它具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力範圍,該勢力範圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界。但黑洞真的存在嗎?
  • 【主編講堂】現代自然科學重要概念連載五——黎曼幾何
    如在物理學領域,當數學發展水平處於歐幾裡得幾何學時期,科學研究只能建立在靜止力學的基礎上,對應的科學體系是託勒玫的「地心說」;牛頓發明了微積分,科學研究才可能在動態力學的基礎上進行,逐步建立了哥白尼—牛頓的科學體系;當數學發展到非歐幾裡德幾何學階段,愛因斯坦以發展演變的動態宇宙觀,用黎曼幾何推演,才發明了廣義相對論,建立了當今的愛因斯坦—霍金的科學體系。
  • 閒聊黎曼幾何
    《幾何原本》系統地總結了古代勞動人民和學者們在實踐和思考中獲得的幾何知識,並把人們公認的一些事實列成定義和公理,建立了從公理、定義出發,來論證命題得到定理的幾何學論證方法。《幾何原本》是歐式幾何的奠基之作。早期的幾何學是人們關於長度、角度、面積和體積的經驗總結,它來源於人們對所生活的空間結構的認識。
  • 平行線及相關的數學發展---不存在平行線:黎曼幾何
    黎曼幾何現在,假定我們可知的空間範圍是無限的,但是有界的。這個命題似乎是令人費解的,可是想到地球表面就可以理解了:一個人只要能爬得了山涉得了水,他就可以在地球表面無限制地走下去,但是地球的大小是有限的。這個命題又是極為重要的,因為它是構成愛因斯坦廣義相對論幾何空間的思想基礎。
  • 「黎曼幾何」與「狹義相對論」的相遇,驚豔了整個人類的現代文明
    他們發現《幾何原本》的「第五公設」似乎有問題,並由此推理出與「歐式幾何」完全不同的「新的幾何體系」,這個「新的幾何體系」被後人稱為「非歐幾何」。「非歐幾何」分別由羅巴切夫斯基和黎曼所創,因而分別稱為「羅氏幾何」和「黎曼幾何」。
  • 廣義相對論中的「時空彎曲」為什麼特別難理解?
    上一篇文章中我詳細談到了廣義相對論中的「時空彎曲」概念,大家應該有一個初步的認識,不過大家肯定也有疑問,對「時空彎曲」概念依然有點蒙圈。別急,這一講我將進一步給大家剖析時空彎曲概念。其實空間彎曲在我們的現實世界並不存在,我們生存的這個三維空間本身是平直的,但是三維的空間加上一個時間,合併成的「四維時空」為什麼就變得彎曲了呢?這是因為根據前面狹義相對論的結論:時間本身具有相對性,會因參考系變化而變化。而空間本身也是具有相對性的,所以具有相對性的空間+具有相對性的時間,組成的「時空」這個物質就變得特別有「可塑性」了。
  • 德國天才數學家——黎曼
    德國天才數學家——黎曼2、主要貢獻:現代解析數論的奠基者,組合拓撲學的開創者,黎曼幾何的創立者。創造了如黎曼函數、黎曼積分、黎曼引理、黎曼流形、黎曼映照定理、黎曼-希爾伯特問題、黎曼思路迴環矩陣、黎曼曲面等。3、1840年黎曼進入中學學習,自學了瑞士數學家歐拉、法國數學家勒讓德等人的數學著作,用6天時間系統研究了勒讓德的名著《數論》。
  • 一個破事說明,《黎曼幾何》的序言
    首先道歉一下,我最近發燒拉肚子還進了醫院,所以沒怎麼理公眾號朋友問得問題。然後看到有些網友問我考研復旦的建議,奇妙深刻的是13/15的人都是志願學代數幾何的,感覺還是要回復一下的。我個人首先表示巨大佩服,但還是建議先多看看書知道代數幾何是怎麼一回事再決定方向!!沒資源來不了課的話,其實問題並不大。
  • 黎曼:數學家、物理學家
    由於從小酷愛數學,黎曼在學習哲學和神學的同時也聽些數學課。黎曼被這裡的數學教學和數學研究的氣氛所感染,決定放棄神學,專攻數學。    1847年,黎曼轉到柏林大學學習,成為雅可比、狄利克萊、施泰納、艾森斯坦的學生。1849年重回哥廷根大學攻讀博士學位,成為高斯晚年的學生。
  • 絕世傳奇,怪誕的非歐幾何
    為什麼從共同的基礎出發會產生兩種不同的非歐幾何呢?我們還是從第五公設來看吧。歐幾裡得的第五公設可以簡單地表述為:經過直線外一點,有且只有一條直線與已知直線平行。對它的否定有兩種可能。第一種可能是:在同一平面上,經過直線外一點,不止一條直線與已知直線平行。第二種可能則是:在同一平面上,經過直線外一點,沒有直線與已知直線平行。
  • 一個曾經被認為是數學中最無用的分支,如何成就了廣義相對論?
    在許多個不同版本的愛因斯坦傳記中,都認為廣義相對論是愛因斯坦在1915年提出的,這個理論似乎在提出時就是完全成熟的狀態,給人的感覺很是神奇,好像愛因斯坦沒有犯任何錯誤就發現了這一偉大的理論。格羅斯曼沒有讓愛因斯坦失望,他通過檢索數學文獻發現,愛因斯坦所需要的數學知識其實在瑞士聯邦技術大學確實講授過,那就是波恩哈德·黎曼於1854年所創立的非歐幾何。對於愛因斯坦來說,這實在很諷刺!在黎曼之前,數學是建立在歐氏幾何基礎之上,歐氏幾何是一種平面幾何,它有幾個重要的特性,比如三角形的內角和為180度、兩條平行線永不相交等等。
  • 贈書 除了微分幾何 黎曼幾何 代數幾何 還學什麼幾何?
    最近在思考的問題,當我們談論幾何,我們在談論什麼?「辛幾何,復幾何,代數幾何,計算幾何,離散幾何,代數曲線曲面,拓撲,幾何分析,巴拿赫空間上的幾何,非交換幾何,微分流形,黎曼幾何,非交換幾何,羅巴切夫斯基幾何,歐式幾何,算術幾何,微分幾何·····」我的身邊充滿了幾何的名詞,也充滿的熱愛幾何的學者:葉中豪老師,閆偉鋒老師,張甲老師,劉小平老師,李少龍老師,張明明老師···和一群熱愛幾何的人結識
  • 並不神秘的非歐幾何,它究竟講的是什麼?五分鐘帶你搞懂
    非歐幾何甚至還可以在歐幾裡得幾何的某些曲面上表現出來。非歐幾何的產生打破了幾何空間的唯一性,反映了空間形式的多樣性。簡單而言,黎曼提出的全新的幾何思想保留了歐氏幾何學的其他公理與公設,經過嚴密邏輯推理而建立起來的幾何體系。
  • 黎曼,他對素數有著迷人的依戀
    然而,有一個關鍵性人物被忽視了,那便是十九世紀的天才數學家伯恩哈德·黎曼,他建立的黎曼幾何學是廣義相對論的基石,同時他還提出了迄今為止數學領域最負盛名的黎曼猜想。黎曼還引進子流形和曲率的概念,讓他尤其關注的是所謂「常曲率空間」,即每一點上曲率都相等的流形。這種常曲率有三種可能性:曲率為正常數,曲率為負常數,曲率為零。黎曼指出,第二種和第三種分別對應於羅氏幾何和歐氏幾何,而第一種情形對應的則是他創造的黎曼幾何。
  • 理解最偉大的數學猜想——黎曼猜想
    很多小夥伴留言:老胡你真是胡說科學、混淆視聽、怎麼可能、邏輯錯誤……同學們都很厲害,但是大家比較謙虛,很少能說出問題的關鍵,這裡涉及到一個非常著名的數學猜想:黎曼猜想,和一個數學概念:解析延拓!廢話少說,進入正題!可以說,如今純數學中最重要的未解決的證明就是黎曼假設了,該假設與素數的分布密切相關。理解這個問題所需的基本技術之一稱為解析延拓,這是本文的主題。
  • 如何自學廣義相對論,這裡有一份秘籍
    著名的物理學家約翰·惠勒是這樣總結廣義相對論的:「物質告訴時空如何彎曲,時空告訴物質如何運動。」前半句概括了愛因斯坦場方程,而後半句則概括了運動方程。它還有個獨特之處,利用場方程能推導出運動方程,這在其它場都是沒有的。這句話也是普通大眾對廣義相對論的理解:物質會導致時空彎曲。事實上,我們的學習欲望不止於此,我們還想學會如何進行廣義相對論計算。
  • 蔡天新:黎曼,他對素數有著迷人的依戀
    此前兩年,引力波被直接探測到和阿蒂亞爵士宣布證明黎曼猜想這兩項重大科學新聞,同樣引發了全球公眾的高度關注,絲毫不亞於一年一度的奧斯卡頒獎禮。物理學家愛因斯坦再次成為人們膜拜的偶像,與黑洞一樣,引力波的存在也是他的廣義相對論所預言的。然而,有一個關鍵性人物被忽視了,那便是十九世紀的天才數學家伯恩哈德·黎曼,他建立的黎曼幾何學是廣義相對論的基石,同時他還提出了迄今為止數學領域最負盛名的黎曼猜想。
  • 愛因斯坦與廣義相對論
    今年是廣義相對論創建100 周年,也是狹義相對論創建110 周年。廣義相對論是「關於時間、空間和引力的理論」。這一理論可以看作是狹義相對論的推廣,也可以看作是萬有引力定律的發展。它認為萬有引力不是一般意義上的力,而是一種幾何效應,是時空彎曲的表。
  • 黎曼,他對素數有著迷人的依戀-虎嗅網
    然而,有一個關鍵性人物被忽視了,那便是十九世紀的天才數學家伯恩哈德·黎曼,他建立的黎曼幾何學是廣義相對論的基石,同時他還提出了迄今為止數學領域最負盛名的黎曼猜想。黎曼還引進子流形和曲率的概念,讓他尤其關注的是所謂「常曲率空間」,即每一點上曲率都相等的流形。這種常曲率有三種可能性:曲率為正常數,曲率為負常數,曲率為零。黎曼指出,第二種和第三種分別對應於羅氏幾何和歐氏幾何,而第一種情形對應的則是他創造的黎曼幾何。
  • 劉若川:解析黎曼幾何 我們生活的世界是四維的
    在數學研討會上,北京國際數學研究中心副教授劉若川發表了題為《黎曼與黎曼假設》的演講。  劉若川首先提到了千禧年七大數學問題,第一,P和NP問題;第二,霍奇猜想;第三,龐加萊猜想;第四,黎曼假設;第五,楊-米爾斯方程;第六,納維-斯託克斯方程;第七,BSD猜想。