几何

非欧几里得几何(non-Euclidean geometry)

两千年来,几何学就是欧几里得为一张平坦纸面写下的规则:平行线永远保持相同间距,绝不相交。而非欧几里得几何,就是当这一条规则被打破时发生的事。请把纸面换成一个地球仪:两条经线都笔直地、正南地延伸,与赤道垂直相交——可它们却在北极交汇了。在弯曲的曲面上,看似平行的线可以相遇,也可以越分越开、永不靠近;事实上在球面上根本没有平行线,因为任意两条这样的直线终将相交。

它有两种风味,而分辨它们最深刻的方式,是问:过一条直线外的一点,你能画出几条与它平行的线。在像球面那样向外鼓起的曲面上——椭圆几何——答案是一条也没有:每条直线终将与其他每条直线相遇,三角形的内角和大于180°。在像马鞍那样朝另一方向弯曲的曲面上——双曲几何——过那一点可以散开无穷多条平行线,三角形的内角和则小于180°。欧几里得那个恰好只有一条平行线、内角和恰好等于180°的平面三角形,原来只是夹在中间的特例。

这并非数学家闲来无事的游戏。爱因斯坦意识到,引力并不是一种穿越空旷空间去拉扯的力——它就是时空本身的弯曲,而行星不过是在这弯曲的几何中,沿着最笔直的路径前行。太阳把周围的空间压弯,就像一颗重球压凹蹦床,地球便沿着凹陷滚动。非欧几里得几何,正是让这个想法说得出口的语言。

在球面上,从北极向下连到赤道上两点画出的三角形,可以拥有三个直角——其内角和为270°,而非180°。

"内角和为180°"这条平面纸上的规则,在曲面上根本不成立。

几百年来,数学家一直试图用欧几里得的其他公理证明那条平行公设,却屡屡失败。19世纪20至30年代,罗巴切夫斯基、波尔约和高斯各自独立地领悟到原因:你大可舍弃这条公设,转而建立一套同样自洽的几何——也就是双曲几何,过一点可以有无穷多条平行线。后来黎曼把这一思想推广,恰好为爱因斯坦备好了他所需的工具。

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