年轻的俄罗斯数学家罗巴切夫斯基突发奇想 , 将古老欧氏平面几何的“平行公理”稍作改变 , 创立了逻辑上同样完整而严密 , 但看起来却有些古怪的“非欧几何” 。 最初 , 人们对此嗤之以鼻 , 认为这不过是疯子数学家玩的游戏而已 。
不过 , 那些嘲笑罗巴切夫斯基的人没有料到 , 几十年之后 , 非欧几何在爱因斯坦的广义相对论中找到了用武之地 。 它正是广义相对论中描述的一种弯曲空间所遵循的几何!
古老的几何学
几何是一门古老的学科 , 在公元前由几何大师欧几里德创立 , 至今两千多年威力不减 。
欧几里德几何是一个漂亮的公理系统 , 它只需要设定几条简单的、符合直觉、大家公认、不证自明的命题(称为公理或公设) , 然后从这几条命题出发 , 推导证明其它命题 , 继而推导证明更多命题 , 如此继续下去 , 一套数学理论便建立起来了 。 这就像是建造高楼大厦 , “公理”就是水平放在地基第一层的大“砖块” , 有了牢靠坚实的基础 , 其它砖块便能够一层一层叠上去 , 万丈高楼也就能够平地而起 。 基底砖块破缺了 , 或者置放得不平稳 , 楼房就可能会倒塌 。
欧几里德平面几何的公理有五条 。 他就从这简单的五条公理出发 , 推演出了所有的平面几何定理 , 建造出欧氏几何的宏伟大厦 。
数学逻辑推理创造的奇迹令人吃惊 。 不过 , 当人们反复思考这几条公理时 , 觉得前面4条显然都是不言自明的 , 唯有第五条公理比较复杂 , 听起来不像一个简单而容易被人接受的直觉概念 。 于是 , 人们就自然提出疑问:这第五条是公理吗?它是否可以由其它4条公理推导出来?大家的意思就是说 , 欧氏平面几何的大厦用前面4块“大砖头”可能也就足以支撑了 。 这第五块砖头 , 恐怕本来就是放置在另外四块砖头之上的 。
欧氏平面几何的第五条公理也称为“平行公理” , 可表述为:“过直线外的一点 , 有且仅有一条平行线 。 ”
一位名叫尼古拉·罗巴切夫斯基(Nikolai Lobachevsky , 1792 - 1856)的年轻俄罗斯数学家突发奇想:如果将这条公理稍稍改变一下 , 也就是说 , 将大厦下面的某块基石稍微移动一下 , 会产生什么样的后果呢?比如说改成:“过直线外的一点 , 至少有两条平行线 。 ”
这一改非同小可 , 几字之差 , 生出了与欧氏几何完全不同的另一种几何 , 人们称之为“非欧几何”或“罗氏几何” 。 非欧几何的大厦同样拔地而起、稳固牢靠 , 逻辑上完整而严密 , 但看起来却有些古怪 。
罗氏几何体系得到古怪而不合常理的命题是必然的 , 因为被罗巴切夫斯基改变之后的第五公设 , 本身就与人们的日常生活经验不相符合 。 过平面上直线外的一点 , 怎么可能作出多条不同的直线与已知直线不相交呢?由此而建造出来的数学逻辑大厦 , 当然会是个怪物 。 比如说 , 罗氏几何导出了如下古怪的命题:同一直线的垂线和斜线不一定相交;不存在矩形 , 因为四边形不可能四个角都是直角;不存在相似三角形;过不在同一直线上的三点 , 不一定能作一个圆;一个三角形的三个内角之和小于180度……这种奇怪的“几何大厦” , 能有什么用处呢?有人嗤之以鼻 , 心想 , 不过是疯子数学家玩的游戏而已!
那些嘲笑罗巴切夫斯基的人没有料到 , 几十年之后 , 非欧几何在爱因斯坦的广义相对论中找到了用武之地 , 它正是爱因斯坦广义相对论描述的一种弯曲空间所遵循的几何!
几何上的无穷小
不过 , 真正与广义相对论弯曲空间有关的是“黎曼几何” , 它比上面所说的非欧几何更进了一步 , 属于微分几何 。
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