流形與黎曼幾何

常曲率空間(constant-curvature space)

在所有彎曲空間中,有三個完美地均勻:在每個方向、每個點都一樣,沒有特殊的地點,也沒有偏好的取向。這些就是常曲率空間,恰有三種模型類型,依曲率的正負號分類:球面(正)、尋常的平直歐氏空間(零)、與雙曲空間(負)。它們是圓的、平的、與鞍形的——最乾淨的幾何,也是衡量其他一切的標準。

精確地說,黎曼流形具常曲率,若它的截面曲率 K 在每個點的每個二維平面都取相同的值。K 的正負號在伸縮意義下定下模型:K > 0 給出球面(這裡三角形鼓起、內角和大於 180 度),K = 0 給出歐氏空間(熟悉的幾何,內角和恰為 180),K < 0 給出雙曲空間(三角形被掐縮、內角和小於 180)。這三個是唯一的單連通完備例子,即模型空間或「空間形式」,且它們極度對稱——每個常曲率空間從任一點朝任一方向看都完全相同,這是幾何所能擁有的最強對稱。

常曲率空間是非歐幾何的拱心石:雙曲空間正是那個久尋的模型,證明平行公設是獨立的,既無法由歐幾里得的其他公理證明、也無法由它們反駁。它們把抽象化為具體,因為每個一般定理都能先在這三個乾淨情形上檢驗。誠實的歷史要點是:雙曲幾何的發現並未顯示歐幾里得錯了——歐氏幾何不過是一個三選項家族中 K = 0 的那個成員,三者同樣自洽,至於哪一個描述物理空間,那是量測的問題,不是邏輯的問題。

在三個模型空間上各畫一個三角形,三邊都是「直」的。在球面上它的內角和大於 180 度(盈出正比於面積);在平直平面上恰為 180;在雙曲平面上小於 180(虧損正比於面積)。單單一個數 K 就決定你身在哪個世界。

同一個三角形,三個世界:內角和大於、等於或小於 180 度,視 K 為正、零或負而定。

雙曲幾何證明平行公設是獨立的,而非錯誤——歐氏空間只是三選項家族中平的那個成員,三者皆邏輯自洽。要小心區分常截面曲率(極為剛硬)與弱得多的常純量或里奇曲率。

又称
space formmodel geometry常曲率流形空間形式