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      平行線在無窮遠(yuǎn)處會(huì)相交嗎?

       宣城華廈圖書館 2018-02-14

      這個(gè)問題的本質(zhì)在于探討歐式幾何和非歐幾何的區(qū)別,我在這做一個(gè)簡要的說明。

      古希臘數(shù)學(xué)家歐幾里德在他的著作《幾何原本》中,提出了五個(gè)基本假設(shè),并從這五個(gè)基本假設(shè)出發(fā),推導(dǎo)出一系列定理。這五個(gè)基本假設(shè)連同推導(dǎo)出的定理,就稱為歐式幾何,也就是我們中學(xué)學(xué)習(xí)的幾何學(xué)。


      歐幾里德的五個(gè)公理是:

      1.任意兩點(diǎn)確定一條直線

      2.任意線段能延長成一條直線

      3.以一點(diǎn)為圓心一個(gè)線段為半徑可以做一個(gè)圓

      4.所有直角都相等

      5.過直線外一點(diǎn)有且只有一條直線與已知直線平行。

      公理即是假設(shè),是不可證明的。從這五條公理出發(fā),歐幾里德推導(dǎo)出一系列的定理。但人們發(fā)現(xiàn),第五公理表述比較復(fù)雜(原來的表述是:若兩條直線都與第三條直線相交,并且在同一邊的內(nèi)角之和小于兩個(gè)直角和,則這兩條直線在這一邊必定相交。),于是,人們懷疑這條并不是公理,而是可以通過前四個(gè)公理推導(dǎo)出來的定理。于是,在很長一段時(shí)間,很多數(shù)學(xué)家都試圖攻克這一難題,但大多無功而返。

      第一個(gè)獲得突破的人是俄羅斯數(shù)學(xué)家羅巴切夫斯基。

      羅巴切夫斯基的父親也是數(shù)學(xué)家,曾為了證明第五公理耗盡一生。但他得知自己的兒子也開始研究第五公理的證明時(shí),寫信給他兒子說:千萬不要研究這個(gè)問題。我?guī)缀跹芯苛怂械姆椒?,最后都失敗了,我不希望你也陷入這個(gè)泥潭。

      然而,羅巴切夫斯基并沒有聽從父親的建議。但是他采用了一種與前人不同的方法:前人都是研究如何從前四個(gè)公理推出第五公理,而羅巴切夫斯基卻反其道而行之,將第五公理修改為“過直線外一點(diǎn)至少有兩條直線與已知直線平行”。那么,假如第五公理可以證明,修改后它必然與前四個(gè)公理相互矛盾,于是通過前四個(gè)公理以及修改后的第五公理推導(dǎo)平面幾何定理,一定能找到這個(gè)矛盾,然后就可以順藤摸瓜證明第五公理了。

      按照這個(gè)思路,羅巴切夫斯基用歐幾里德的前四個(gè)公理與修改后的第五公理推導(dǎo)了平面幾何中的所有定理,沒有發(fā)現(xiàn)矛盾。他終于明白:第五公理的確是公理,不可以通過前四個(gè)公理證明。

      既然第五公理不可證明,是一種假設(shè),那么我們也可以更改這種假設(shè)。于是,羅巴切夫斯基將第五公理改為過直線外一點(diǎn)有多條直線與已知直線平行,創(chuàng)立了自己的幾何:羅氏幾何。

      羅氏幾何中很多規(guī)律與歐式幾何不同,最典型的三角形的內(nèi)角和。在羅氏幾何中,三角形內(nèi)角和不是一百八十度,而是小于一百八十度,具體的數(shù)值與三角形面積有關(guān):三角形面積越大,內(nèi)角和越小。我們可以想象在雙曲面上畫三角形,內(nèi)角和就小于180度,所以羅氏幾何也叫做雙曲幾何。


      那么既然羅巴切夫斯基可以把第五公理改為多條,我們也可以改為一條都沒有。于是另一個(gè)數(shù)學(xué)家黎曼將第五公理修改為過直線外一點(diǎn)沒有任何一條直線與已知直線平行,就創(chuàng)立了黎曼幾何。

      黎曼幾何在愛因斯坦廣義相對論中有很大的作用。傳說愛因斯坦在研究廣義相對論時(shí)遇到了很大的數(shù)學(xué)困難,直到他發(fā)現(xiàn)黎曼幾何這個(gè)有力的工具,才順利的用數(shù)學(xué)表達(dá)了自己的思想。

      綜上所述,平行線是否存在,存在多少,本質(zhì)上是一個(gè)假設(shè),無所謂對錯(cuò)。數(shù)學(xué)就是基于假設(shè)和邏輯推理的學(xué)問,與自然科學(xué)中的物理、化學(xué)和生物這種基于實(shí)驗(yàn)的科學(xué)不同。數(shù)學(xué)的假設(shè)不可證明,因此數(shù)學(xué)更應(yīng)該歸于哲學(xué)范疇。

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