幾何

非歐幾里得幾何(non-Euclidean geometry)

兩千年來,幾何學就是歐幾里得為一張平坦紙面寫下的規則:平行線永遠保持相同間距,絕不相交。而非歐幾里得幾何,就是當這一條規則被打破時發生的事。請把紙面換成一個地球儀:兩條經線都筆直地、正南地延伸,與赤道垂直相交——可它們卻在北極交匯了。在彎曲的曲面上,看似平行的線可以相遇,也可以越分越開、永不靠近;事實上在球面上根本沒有平行線,因為任意兩條這樣的直線終將相交。

它有兩種風味,而分辨它們最深刻的方式,是問:過一條直線外的一點,你能畫出幾條與它平行的線。在像球面那樣向外鼓起的曲面上——橢圓幾何——答案是一條也沒有:每條直線終將與其他每條直線相遇,三角形的內角和大於180°。在像馬鞍那樣朝另一方向彎曲的曲面上——雙曲幾何——過那一點可以散開無窮多條平行線,三角形的內角和則小於180°。歐幾里得那個恰好只有一條平行線、內角和恰好等於180°的平面三角形,原來只是夾在中間的特例。

這並非數學家閒來無事的遊戲。愛因斯坦意識到,引力並不是一種穿越空曠空間去拉扯的力——它就是時空本身的彎曲,而行星不過是在這彎曲的幾何中,沿著最筆直的路徑前行。太陽把周圍的空間壓彎,就像一顆重球壓凹蹦床,地球便沿著凹陷滾動。非歐幾里得幾何,正是讓這個想法說得出口的語言。

在球面上,從北極向下連到赤道上兩點畫出的三角形,可以擁有三個直角——其內角和為270°,而非180°。

"內角和為180°"這條平面紙上的規則,在曲面上根本不成立。

幾百年來,數學家一直試圖用歐幾里得的其他公理證明那條平行公設,卻屢屢失敗。19世紀20至30年代,羅巴切夫斯基、波爾約和高斯各自獨立地領悟到原因:你大可捨棄這條公設,轉而建立一套同樣自洽的幾何——也就是雙曲幾何,過一點可以有無窮多條平行線。後來黎曼把這一思想推廣,恰好為愛因斯坦備好了他所需的工具。

又稱
hyperbolic geometryelliptic geometryRiemannian geometry双曲几何椭圆几何黎曼几何