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数学 1829

论几何学原理

尼古拉·洛巴切夫斯基

舍弃欧几里得的平行公设,一门全新的几何就立了起来——自洽,且弯曲。

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In depth · the introduction

两千年里,几何里有一条规则看上去太显而易见,以至于无人去质疑。洛巴切夫斯基质疑了它——结果发现了另一门几何,和欧几里得的一样自洽,只是在那里,平行线的表现跟你预期的完全不同。

核心想法

欧几里得把整个几何建在五条起始规则上。其中四条都显而易见。只有第五条——关于平行线的那一条——总显得笨拙,像是本该能从其余几条推导出来的东西。两千年里,最出色的数学家都试图证明它。他们全都失败了。

洛巴切夫斯基问了一个大胆的问题:要是第五条干脆就是错的呢?要是过线旁一点,你能画的不是一条平行线,而是好多条永远碰不到它的直线呢?结果滚出来的不是胡言乱语,而是一门完整、自洽的几何——在那里三角形内角和不足 180°,越大的三角形弯得越厉害,而欧几里得的规则只有在图形很小时才重新归来。他意识到:空间未必非得服从欧几里得。可能的几何不止一种;而现实世界到底服从哪一种,是个靠测量、而非靠纯粹推理来回答的问题。

它是如何诞生的

尼古拉·洛巴切夫斯基几乎一生都在喀山大学度过,那里远离欧洲的数学中心,而他一路升任到校长。他于 1826 年首次向全系报告这门奇怪的几何,随后在 1829 和 1830 两年,把它发表在本地的《喀山信使》上——用俄文,登在一本默默无闻的期刊上。几乎没人读到,读到的人多半还嗤之以鼻。

他并非完全孤立。在匈牙利,雅诺什·博亚伊独立地到达了一模一样的几何,并于 1832 年发表。而那位台柱般的卡尔·弗里德里希·高斯,更早几年就在私下想透了类似的想法——但他害怕争议,始终不敢发表。所以这份功劳是真正共享的:洛巴切夫斯基首先付印,博亚伊是独立的共同发现者,高斯则是沉默的先驱。对洛巴切夫斯基的认可,多半是在他身后才到来的。

它为何重要

这打破了一个两千年的假定:欧几里得几何是唯一真正的几何,是烙在宇宙里的。一旦数学家看到其他自洽的几何也能存在,他们便被解放了,可以去发明、去研究任何不自相矛盾的体系——而这正是现代数学所做的大部分事。后来爱因斯坦需要描述引力时,洛巴切夫斯基所参与开启的那种弯曲的、非欧几里得的几何,已在那里等候,随时准备成为时空本身的形状。

一个可以想象的画面

想象在一张平平的纸上画线,对照在一个马鞍内侧、或一片皱巴巴的生菜叶上画线。在平纸上,欧几里得说了算:两条平行线永远保持同样的间距。而在马鞍那弯曲的面上,原本「平行」的线会越离越开,三角形的三个角加起来不足 180°。洛巴切夫斯基的几何,就是那种无尽弯曲、马鞍般的面的几何——完全合乎逻辑,只是不是平的。

一个展示洛巴切夫斯基平面的可交互庞加莱圆盘模型:一条直线穿过圆盘,上方有一个点。拖动滑块,让这个点离直线越来越远;两条弯曲的平行线从该点扁开,平行角随距离增大,从 90 度缩小趋向 0。

它的位置

洛巴切夫斯基的突破推开了一扇门。进门的是伯纳德·黎曼——他于 1854 年把几何推广到任意维度的弯曲空间;接着是阿尔伯特·爱因斯坦,他的广义相对论把时空的形状变成了引力的根源——宇宙的几何,由其中所包含的物所决定。从「几何是固定而显而易见的」,到「几何是诸多选择之一、待与世界验证」的跃迁,就从这里开始——一位偏远的俄国教授,敢于否定欧几里得。

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平行线理论里的缺口

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.

相割线与不相割线(第 16 节)

§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.

平行角的表现(第 23 节)

§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 节)

§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