大家從小就學過平行線,歐幾里德的幾何里,它們永遠不碰頭,這好像是天經地義的事。可有個俄國數學家偏不這么想,他說平行線在某些情況下能相交,這話一出,遭了不少人笑話。可他死了12年后,這想法還真被證明對了。這人就是羅巴切夫斯基,他的故事是數學圈的傳奇。
在公元前300年左右,歐幾里德寫下《幾何原本》,里面有五個公設,其中第五公設說,通過一條直線外的一個點,只能畫一條平行線。
這公設有點長,其他的都短小精悍,所以從古時候起,數學家就琢磨,能不能用前四個公設證明第五個。要是能證明,它就不是公設了,而是定理。可試了上千年,誰都沒成功。18世紀末,這問題還掛在那兒。
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羅巴切夫斯基出生在下諾夫哥羅德,15歲就上了喀山大學,學的是物理和數學。他大學有個老師是德國人,叫巴特爾斯,這人是高斯的學生,對羅巴切夫斯基影響挺大的。
他畢業后就留在學校了,35歲的時候就當上了校長,一直干到1846年。他不光要教書,還得管學校行政上的事兒。那時候喀山大學亂糟糟的,德國老師都走光了,他一個人挑起了數學、物理和天文課的教學擔子。他還幫著學校蓋樓,管理圖書館,弄觀測臺。霍亂來的時候,他組織隔離措施,救了好多人。后來他還管著地區的教育,改革了學校的標準。
可惜啊,因為健康問題和行政上的事兒,他被解雇了,沒了收入,家里的東西也都賣光了。他眼睛瞎了,行動也不方便,還死了個兒子。1856年,他窮得叮當響,就這么去世了,葬在了喀山。
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羅巴切夫斯基在數學上的主要貢獻是在非歐幾何方面。從1817年開始,他就開始研究歐幾里得的第五公設。最開始的時候,他也想證明這個公設,就用前面四個公設來推導,可怎么弄都不成功。
到了1823年,他寫了本《幾何學》,不過沒急著發表。1826年,他第一次在喀山大學物理數學系的會議上,講了他的想法。他說,咱們假設第五公設是錯的,那么過一個點,就能畫出好多條平行線。然后用前面四個公設接著推導,發現沒啥矛盾,還得出了新的結果。
比如說,三角形的內角和小于180度;在某種空間里,平行線會發散,看著好像要相交似的。這些在雙曲幾何里是成立的。他把這個叫“想象幾何”,這可不是說它是假的,而是說它和咱們現實里的空間不太一樣。
在這種幾何里,直線能無限延伸,能有無數條不相交的直線,不過它們的表現不太一樣。平行線之間的距離不是一直相等的,要么越來越遠,要么越來越近,在無限遠的地方看著好像要碰到一起,但實際上在模型里能模擬出相交的效果。
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然而,這些想法一經提出,便遭到了強烈的反對。喀山的同事們最初感到十分震驚,并未給出相關意見。當論文被寄送至彼得堡科學院時,專家奧斯托格拉德斯基在審閱后,以刻薄的言辭稱其為無稽之談。科學院拒絕了這篇論文,部分學者私下里傳播著嘲笑的話語,認為他是為了出名而嘩眾取寵。
俄羅斯數學界將他視為異類,福斯也對其進行了批評。報紙和期刊譏諷他的理論“過于抽象”,民眾普遍認為這些理論違背了常識,他們以鐵軌為例,質疑道:鐵軌相互平行且永不相交,怎么可能出現相交的情況呢?
1840年,高斯讀到了相關內容,私下表示這些想法與自己的不謀而合,并且自己早在幾年前就有過類似的思考,但由于擔心受到批評,并未發表。高斯推薦他加入哥廷根皇家學會,卻并未公開給予支持。其他歐洲數學家后來指出,高斯是害怕遭到“不明事理之人”的攻擊,所以選擇將自己的觀點隱藏起來。盡管高斯與羅巴切夫斯基未曾直接通信,但高斯為了閱讀他的著作,還專門學習了俄語。
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羅巴切夫斯基沒放棄,堅持寫書,可生前沒認可。他死后,事情轉折。1868年,意大利數學家貝爾特拉米發論文,用偽球模型證明羅巴切夫斯基幾何一致。
偽球是負曲率表面,直線是測地線,能模擬平行線行為:在曲面上,兩條“平行”線無限延伸,能相交或發散。這證明非歐幾何和歐幾里德一樣沒矛盾,只要歐幾里德一致,它也一致。
貝爾特拉米的工作讓非歐幾何站穩腳。克萊因用射影模型擴展。里曼演講奠基更多幾何。克利福德叫羅巴切夫斯基“幾何的哥白尼”,因為他打破歐幾里德壟斷,激發質疑其他公理。
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這影響大。愛因斯坦廣義相對論用非歐幾何描述彎曲時空。引力讓空間變曲,平行線行為變。現代物理、拓撲、群論都借用雙曲幾何。工程里,相對論導航系統用它模擬曲面。
1927年喀山大學起設羅巴切夫斯基獎,現在有羅巴切夫斯基的雕像。尼日尼諾夫哥羅德大學改名羅巴切夫斯基大學。
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科學進步常這樣。新想法先被笑,后被證。羅巴切夫斯基不是第一個挑戰平行公設的,從薩克里到高斯,都想過。但他是第一個完整建體系發出來的。羅巴切夫斯基的堅持,讓數學多條路。
生活中,我們總覺得某些事理所當然。可一深挖,發現空間不一定平。羅巴切夫斯基因窮困而死,沒見認可,可他的想法活下來,改變世界。羅巴切夫斯基的故事,是科學史一頁。
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