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數學 1829

論幾何學原理

尼古拉·羅巴切夫斯基

舍棄歐幾里得的平行公設,一門全新的幾何就立了起來——自洽,且彎曲。

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In depth · the introduction

兩千年裡,幾何裡有一條規則看上去太顯而易見,以至於無人去質疑。羅巴切夫斯基質疑了它——結果發現了另一門幾何,和歐幾里得的一樣自洽,只是在那裡,平行線的表現跟你預期的完全不同。

核心想法

歐幾里得把整個幾何建在五條起始規則上。其中四條都顯而易見。只有第五條——關於平行線的那一條——總顯得笨拙,像是本該能從其餘幾條推導出來的東西。兩千年裡,最出色的數學家都試圖證明它。他們全都失敗了。

羅巴切夫斯基問了一個大胆的問題:要是第五條干脆就是錯的呢?要是過線旁一點,你能畫的不是一條平行線,而是好多條永遠碰不到它的直線呢?結果滾出來的不是胡言亂語,而是一門完整、自洽的幾何——在那裡三角形內角和不足 180°,越大的三角形彎得越厉害,而歐幾里得的規則只有在圖形很小時才重新歸來。他意識到:空間未必非得服從歐幾里得。可能的幾何不止一種;而現實世界到底服從哪一種,是個靠測量、而非靠純粹推理來回答的問題。

它是如何誕生的

尼古拉·羅巴切夫斯基幾乎一生都在喀山大學度過,那裡遠離歐洲的數學中心,而他一路升任到校長。他於 1826 年首次向全系報告這門奇怪的幾何,隨後在 1829 和 1830 兩年,把它發表在本地的《喀山信使》上——用俄文,登在一本默默無聞的期刊上。幾乎沒人讀到,讀到的人多半還嗤之以鼻。

他並非完全孤立。在匈牙利,雅諾什·博亞伊獨立地到達了一模一樣的幾何,並於 1832 年發表。而那位台柱般的卡爾·弗里德里希·高斯,更早幾年就在私下想透了類似的想法——但他害怕爭議,始終不敢發表。所以這份功勞是真正共享的:羅巴切夫斯基首先付印,博亞伊是獨立的共同發現者,高斯則是沉默的先驅。對羅巴切夫斯基的認可,多半是在他身後才到來的。

它為何重要

這打破了一個兩千年的假定:歐幾里得幾何是唯一真正的幾何,是烙在宇宙裡的。一旦數學家看到其他自洽的幾何也能存在,他們便被解放了,可以去發明、去研究任何不自相矛盾的體系——而這正是現代數學所做的大部分事。後來愛因斯坦需要描述引力時,羅巴切夫斯基所參與開啟的那種彎曲的、非歐幾里得的幾何,已在那裡等候,隨時準備成為時空本身的形狀。

一個可以想像的畫面

想像在一張平平的紙上畫線,對照在一個馬鞍內側、或一片皱巴巴的生菜葉上畫線。在平紙上,歐幾里得說了算:兩條平行線永遠保持同樣的間距。而在馬鞍那彎曲的面上,原本「平行」的線會越離越開,三角形的三個角加起來不足 180°。羅巴切夫斯基的幾何,就是那種無盡彎曲、馬鞍般的面的幾何——完全合乎邏輯,只是不是平的。

一個展示羅巴切夫斯基平面的可互動龐加萊圓盤模型:一條直線穿過圓盤,上方有一個點。拖動滑塊,讓這個點離直線越來越遠;兩條彎曲的平行線從該點扁開,平行角隨距離增大,從 90 度縮小趨向 0。

它的位置

羅巴切夫斯基的突破推開了一扇門。進門的是伯納德·黎曼——他於 1854 年把幾何推廣到任意維度的彎曲空間;接著是阿爾伯特·愛因斯坦,他的廣義相對論把時空的形狀變成了引力的根源——宇宙的幾何,由其中所包含的物所決定。從「幾何是固定而顯而易見的」,到「幾何是諸多選擇之一、待與世界驗證」的躍遷,就從這裡開始——一位偏遠的俄國教授,敢於否定歐幾里得。

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平行線理論裡的缺口

N. I. Lobachevsky · Geometrical Researches on the Theory of Parallels (1840) · trans. G. B. Halsted, 1891 · Introduction
In geometry I find certain imperfections which I hold to be the reason why this science, apart from transition into analytics, can as yet make no advance from that state in which it has come to us from Euclid.
As belonging to these imperfections, I consider the obscurity in the fundamental concepts of the geometrical magnitudes and in the manner and method of representing the measuring of these magnitudes, and finally the momentous gap in the theory of parallels, to fill which all efforts of mathematicians have been so far in vain.

相割線與不相割線(第 16 節)

§16 · The definition of parallelism
All straight lines which in a plane go out from a point can, with reference to a given straight line in the same plane, be divided into two classes — into cutting and not-cutting.
The boundary lines of the one and the other class of those lines will be called parallel to the given line.
The angle HAD between the parallel HA and the perpendicular AD is called the parallel angle (angle of parallelism), which we will here designate by Π(p) for AD = p.

平行角的表現(第 23 節)

§23 · The parallel angle as a function of distance
… with the lessening of p the angle a, increases, while, for p = 0, it approaches the value ½π; with the growth of p the angle a decreases, while it continually approaches zero for p = ∞.
[ … ]

角的方程(第 36 節)

§36 · The defining relation
tan ½ Π(x) = e^{−x}
Here e may be any number whatever, which is greater than unity, since for the unit of x we are still free to choose. … If we make x negative, then Π(x) is obtuse, and the equation still holds.
[In §37, Lobachevsky shows that for very small figures these formulas pass over into the ordinary geometry of Euclid — so the imaginary geometry can differ from it only by amounts too small to measure.]

署名

N. I. Lobachevsky · Imperial University of Kazan · first announced 1826, published 1829–1830