1.4 非歐幾何學(xué)的誕生

歐幾里得的《幾何原本》是第一次數(shù)學(xué)危機(jī)的產(chǎn)物。盡管它有種種缺點(diǎn)和毛病,畢竟兩千多年來一直是大家公認(rèn)的典范。尤其是許多哲學(xué)家,把歐幾里得幾何學(xué)擺在絕對幾何學(xué)的地位。

十八世紀(jì)時(shí),大部分人都認(rèn)為歐幾里得幾何是物質(zhì)空間中圖形性質(zhì)的正確理想化。特別是康德認(rèn)為關(guān)于空間的原理是先驗(yàn)綜合判斷,物質(zhì)世界必然是歐幾里得式的,歐幾里得幾何是唯一的、必然的、完美的。

既然是完美的,大家希望公理、公設(shè)簡單明白、直截了當(dāng)。其他的公理和公設(shè)都滿足了上面的這個(gè)條件,唯獨(dú)平行公設(shè)不夠簡明,象是一條定理。

歐幾里得的平行公設(shè)是:每當(dāng)一條直線與另外兩條直線相交,在它一側(cè)做成的兩個(gè)同側(cè)內(nèi)角的和小于兩直角時(shí),這另外兩條直線就在同側(cè)內(nèi)角和小于兩直角的那一側(cè)相交。

在《幾何原本》中,證明前28個(gè)命題并沒有用到這個(gè)公設(shè),這很自然引起人們考慮:這條啰哩啰嗦的公設(shè)是否可由其他的公理和公設(shè)推出,也就是說,平行公設(shè)可能是多余的。

之后的二千多年,許許多多人曾試圖證明這點(diǎn),有些人開始以為成功了,但是經(jīng)過仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn):所有的證明都使用了一些其他的假設(shè),而這些假設(shè)又可以從平行公設(shè)推出來,所以他們只不過得到一些和平行公設(shè)等價(jià)的命題罷了。

到了十八世紀(jì),有人開始想用反證法來證明,即假設(shè)平行公設(shè)不成立,企圖由此得出矛盾。他們得出了一些推論,比如“有兩條線在無窮遠(yuǎn)點(diǎn)處相交,而在交點(diǎn)處這兩條線有公垂線”等等。在他們看來,這些結(jié)論不合情理,因此不可能真實(shí)。但是這些推論的含義不清楚,也很難說是導(dǎo)出矛盾,所以不能說由此證明了平行公設(shè)。

從舊的歐幾里得幾何觀念到新幾何觀念的確立,需要在某種程度上解放思想。首先,要能從二千年來證明平行公設(shè)的失敗過程中看出這個(gè)證明是辦不到的事,并且這種不可能性是可以加以證實(shí)的;其次,要選取與平行公設(shè)相矛盾的其他公設(shè),也能建立邏輯上沒有矛盾的幾何。這主要是羅巴切夫斯基的開創(chuàng)性工作。

 

要認(rèn)識到歐幾里得幾何不一定是物質(zhì)空間的幾何學(xué),歐幾里得幾何學(xué)只是許多可能的幾何學(xué)中的一種。而幾何學(xué)要從由直覺、經(jīng)驗(yàn)來檢驗(yàn)的空間科學(xué)要變成一門純粹數(shù)學(xué),也就是說,它的存在性只由無矛盾性來決定。雖說象蘭伯特等人已有這些思想苗頭,但是真正把幾何學(xué)變成這樣一門純粹數(shù)學(xué)的是希爾伯特。

這個(gè)過程是漫長的,其中最主要的一步是羅巴切夫斯基和波耶分別獨(dú)立地創(chuàng)立非歐幾何學(xué),尤其是它們所考慮的無矛盾性是歷史上的獨(dú)創(chuàng)。后人把羅氏幾何的無矛盾性隱含地變成歐氏幾何無矛盾性的問題。這種利用“模型”和證明“相對無矛盾性”的思想一直貫穿到以后的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的研究中。而且這種把非歐幾何歸結(jié)到大家一貫相信的歐氏幾何,也使得大家在接受非歐幾何方面起到重要作用。

應(yīng)該指出,非歐幾何為廣大數(shù)學(xué)界接受還是經(jīng)過幾番艱苦斗爭的。首先要證明第五公設(shè)的否定并不會(huì)導(dǎo)致矛盾,只有這樣才能說新幾何學(xué)成立,才能說明第五公設(shè)獨(dú)立于別的公理公設(shè),這是一個(gè)起碼的要求。

當(dāng)時(shí)證明的方法是證明“相對無矛盾性”。因?yàn)楫?dāng)時(shí)大家都承認(rèn)歐幾里得幾何學(xué)沒有矛盾,如果能把非歐幾何學(xué)用歐幾里得幾何學(xué)來解釋而且解釋得通,也就變得沒有矛盾。而這就要把非歐幾何中的點(diǎn)、直線、平面、角、平行等翻譯成歐幾里得幾何學(xué)中相應(yīng)的東西,公理和定理也可用相應(yīng)歐幾里得幾何學(xué)的公理和定理來解釋,這種解釋叫做非歐幾何學(xué)的歐氏模型。

對于羅巴切夫斯基幾何學(xué),最著名的歐氏模型有意大利數(shù)學(xué)家貝特拉米于1869年提出的常負(fù)曲率曲面模型;德國數(shù)學(xué)家克萊因于1871年提出的射影平面模型和彭加勒在1882年提出的用自守函數(shù)解釋的單位圓內(nèi)部模型。這些模型的確證實(shí)了非歐幾何的相對無矛盾性,而且有的可以推廣到更一般非歐幾何,即黎曼創(chuàng)立的橢圓幾何學(xué),另外還可以推廣到高維空間上。

因此,從十九世紀(jì)六十年代末到八十年代初,大部分?jǐn)?shù)學(xué)家接受了非歐幾何學(xué)。盡管有的人還堅(jiān)持歐幾里得幾何學(xué)的獨(dú)特性,但是許多人明確指出非歐幾何學(xué)和歐氏幾何學(xué)平起平坐的時(shí)代已經(jīng)到來。當(dāng)然也有少數(shù)頑固派,如數(shù)理邏輯的締造者弗雷格,至死不肯承認(rèn)非歐幾何學(xué),不過這已無關(guān)大局了。

非歐幾何學(xué)的創(chuàng)建對數(shù)學(xué)的震動(dòng)很大。數(shù)學(xué)家開始關(guān)心幾何學(xué)的基礎(chǔ)問題,從十九世紀(jì)八十年代起,幾何學(xué)的公理化成為大家關(guān)注的目標(biāo),并由此產(chǎn)生了希爾伯特的新公理化運(yùn)動(dòng)!
 

 
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