大家从小就学过平行线,欧几里德的几何里,它们永远不碰头,这好像是天经地义的事。可有个俄国数学家偏不这么想,他说平行线在某些情况下能相交,这话一出,遭了不少人笑话。可他死了12年后,这想法还真被证明对了。这人就是罗巴切夫斯基,他的故事是数学圈的传奇。
在公元前300年左右,欧几里德写下《几何原本》,里面有五个公设,其中第五公设说,通过一条直线外的一个点,只能画一条平行线。
这公设有点长,其他的都短小精悍,所以从古时候起,数学家就琢磨,能不能用前四个公设证明第五个。要是能证明,它就不是公设了,而是定理。可试了上千年,谁都没成功。18世纪末,这问题还挂在那儿。
罗巴切夫斯基出生在下诺夫哥罗德,15岁就上了喀山大学,学的是物理和数学。他大学有个老师是德国人,叫巴特尔斯,这人是高斯的学生,对罗巴切夫斯基影响挺大的。
他毕业后就留在学校了,35岁的时候就当上了校长,一直干到1846年。他不光要教书,还得管学校行政上的事儿。那时候喀山大学乱糟糟的,德国老师都走光了,他一个人挑起了数学、物理和天文课的教学担子。他还帮着学校盖楼,管理图书馆,弄观测台。霍乱来的时候,他组织隔离措施,救了好多人。后来他还管着地区的教育,改革了学校的标准。
可惜啊,因为健康问题和行政上的事儿,他被解雇了,没了收入,家里的东西也都卖光了。他眼睛瞎了,行动也不方便,还死了个儿子。1856年,他穷得叮当响,就这么去世了,葬在了喀山。
罗巴切夫斯基在数学上的主要贡献是在非欧几何方面。从1817年开始,他就开始研究欧几里得的第五公设。最开始的时候,他也想证明这个公设,就用前面四个公设来推导,可怎么弄都不成功。
到了1823年,他写了本《几何学》,不过没急着发表。1826年,他第一次在喀山大学物理数学系的会议上,讲了他的想法。他说,咱们假设第五公设是错的,那么过一个点,就能画出好多条平行线。然后用前面四个公设接着推导,发现没啥矛盾,还得出了新的结果。
比如说,三角形的内角和小于180度;在某种空间里,平行线会发散,看着好像要相交似的。这些在双曲几何里是成立的。他把这个叫“想象几何”,这可不是说它是假的,而是说它和咱们现实里的空间不太一样。
在这种几何里,直线能无限延伸,能有无数条不相交的直线,不过它们的表现不太一样。平行线之间的距离不是一直相等的,要么越来越远,要么越来越近,在无限远的地方看着好像要碰到一起,但实际上在模型里能模拟出相交的效果。
然而,这些想法一经提出,便遭到了强烈的反对。喀山的同事们最初感到十分震惊,并未给出相关意见。当论文被寄送至彼得堡科学院时,专家奥斯托格拉德斯基在审阅后,以刻薄的言辞称其为无稽之谈。科学院拒绝了这篇论文,部分学者私下里传播着嘲笑的话语,认为他是为了出名而哗众取宠。
俄罗斯数学界将他视为异类,福斯也对其进行了批评。报纸和期刊讥讽他的理论“过于抽象”,民众普遍认为这些理论违背了常识,他们以铁轨为例,质疑道:铁轨相互平行且永不相交,怎么可能出现相交的情况呢?
1840年,高斯读到了相关内容,私下表示这些想法与自己的不谋而合,并且自己早在几年前就有过类似的思考,但由于担心受到批评,并未发表。高斯推荐他加入哥廷根皇家学会,却并未公开给予支持。其他欧洲数学家后来指出,高斯是害怕遭到“不明事理之人”的攻击,所以选择将自己的观点隐藏起来。尽管高斯与罗巴切夫斯基未曾直接通信,但高斯为了阅读他的著作,还专门学习了俄语。
罗巴切夫斯基没放弃,坚持写书,可生前没认可。他死后,事情转折。1868年,意大利数学家贝尔特拉米发论文,用伪球模型证明罗巴切夫斯基几何一致。
伪球是负曲率表面,直线是测地线,能模拟平行线行为:在曲面上,两条“平行”线无限延伸,能相交或发散。这证明非欧几何和欧几里德一样没矛盾,只要欧几里德一致,它也一致。
贝尔特拉米的工作让非欧几何站稳脚。克莱因用射影模型扩展。里曼演讲奠基更多几何。克利福德叫罗巴切夫斯基“几何的哥白尼”,因为他打破欧几里德垄断,激发质疑其他公理。
这影响大。爱因斯坦广义相对论用非欧几何描述弯曲时空。引力让空间变曲,平行线行为变。现代物理、拓扑、群论都借用双曲几何。工程里,相对论导航系统用它模拟曲面。
1927年喀山大学起设罗巴切夫斯基奖,现在有罗巴切夫斯基的雕像。尼日尼诺夫哥罗德大学改名罗巴切夫斯基大学。
科学进步常这样。新想法先被笑,后被证。罗巴切夫斯基不是第一个挑战平行公设的,从萨克里到高斯,都想过。但他是第一个完整建体系发出来的。罗巴切夫斯基的坚持,让数学多条路。
生活中,我们总觉得某些事理所当然。可一深挖,发现空间不一定平。罗巴切夫斯基因穷困而死,没见认可,可他的想法活下来,改变世界。罗巴切夫斯基的故事,是科学史一页。
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