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【转载】欧氏几何、非欧几何与现代物理学  

2016-04-20 19:32:37|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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欧氏几何、非欧几何与现代物理学 - fn64 - 方宇(fn64)       
       约在公元前300年,古希腊数学家欧几里得建立了角和空间中距离之间联系的法则,现称为欧几里得几何。欧几里得首先开发了处理平面上二维物体的“平面几何”,他接着分析三维物体的“立体几何”,所有欧几里得的公理已被编排到叫做二维或三维欧几里得空间的抽象数学空间中。

       这些数学空间可以被扩展来应用于任何有限维度,而这种空间叫做n维欧几里得空间(甚至简称n维空间)或有限维实内积空间。

       这些数学空间还可被扩展到任意维的情形,称为实内积空间(不一定完备),希尔伯特空间在高等代数中也被称为欧几里得空间。为了开发更高维欧几里得空间空间的性质必须非常仔细的表达并被扩展到任意维度尽管结果的数学非常抽象,它却捕获了欧几里得空间的根本本质,根本性质是它的平面性。还另存在其他种类空间,例如球面非欧几里得空间相对论描述四维时空重力出现的时候也不是欧几里得空间

      有一种方法论把欧几里得平面看作满足可依据距离和角表达的特定联系的点所成的集合。其一是平移,它意味着移动这个平面 就使得所有都以相同方向移动相同距离。其二是关于在这个平面固定点旋转,其中在平面上的所有关于这个固定点旋转相同的角度欧几里得几何的一个基本原则是,如果通过一序列的平移和旋转可以把一个图形变换成另一个图形,平面的两个图形(也就是子集)应被认为是等价的(全等)。

       为了使这些在数学上精确,必须明确定义距离、角、平移和旋转的概念。标准方式是定义欧几里得平面为装备了内积的二维实数的向量空间。有着在这个向量空间中的向量对应于在欧几里得平面中的点,在向量空间中的加法运算对应于平移,内积蕴涵了角和距离的概念,它可被用来定义旋转。

       一旦欧几里得平面用这种语言描述了,扩展它的概念任意维度就是简单的事情了。对于大多数部分,词汇公式计算对更 高维的出现不造成任何困难(但是,旋转高维中是非常微妙,而高维空间的可视化仍很困难,即使对有经验的数学家也一样)。

       欧几里得空间的最后问题是它在技术上不是向量空间,而是向量空间作用于其上仿射空间。直觉上,区别在于对于原点应当位于这个空间的什么地方没有标准选择,因为它可以到处移动

      爱因斯坦在瑞士苏黎世联邦科技大学时期的数学老师闵可夫斯基在爱因斯坦提出狭义相对论之后,于1907年将爱因斯坦与洛伦兹的理论结果重新表述成(3+1)维的时空,其中光速在各个惯性参考系皆为定值,这样的时空即以其为名,称为闵可夫斯基时空闵可夫斯基空间)。

       爱因斯坦一开始不认为这样的表述有何重要性,但当他1907年开始转往广义相对论发展时,发现闵可夫斯基时空可说是其所要发展的理论架构基础,转而对这样的表述采取高的评价

      非欧几里得几何简称非欧几何,是几个几何形式系统的统称。欧几里得几何和非欧几何的差别在于第五公设。第五条公设说,同一平面内一条直线和另外两条直线相交,若在某一侧的两个内角的和小于两直角,则这两直线经无限延长后在这一侧相交

       长期以来,数学家们发现第五公设和前四个公设比较起来,显得文字叙述冗长,而且也不那么显而易见。有些数学家还注意到欧几里得在《几何原本》一书中直到第二十九个命题中才用到,而且以后再也没有使用。也就是说,在《几何原本》中可以不依靠 第五公设而推出前二十八个命题。因此,一些数学家提出,第五公设能不能不作为公设,而作为定理?能不能依靠前四个公设来证明第五公设?这就是几何发展史上最著名的,争论了长达两千多年的关于“平行线理论”的讨论。由于证明第五公设的问题始终得不到解决,人们逐渐怀疑证明的路子走的对不对?第五公设到底能不能证明

       1820年代,俄国喀山大学教授罗巴切夫斯基在证明第五公设的过程中,他走了另一条路子。他提出了一个和欧氏平行公理相矛盾的命题,用它来代替第五公设,然后与欧氏几何的前四个公设结合成一个公理系统,展开一系列的推理。他认为如果以这个系统 基础推理中出现矛盾,就等于证明第五公设。此即数学中的反证法。但是,在他极为细致深入的推理过程中,得出了一个又一个在直觉上匪夷所思,但在逻辑上毫无矛盾命题。最后,罗巴切夫斯基得出两个重要的结论第五公设不能被证明;在新的公理体系中展开的一连串推理,得到了一系列在逻辑上无矛盾的新的定理,并形成了新的理论。这个理论像欧氏几何一样是完善的、 严密几何学

       这种几何学被称为罗巴切夫斯基几何,简称罗氏几何。这是第一个被提出的非欧几何学。从罗氏几何学中,可以得出一个极为重要的、具有普遍意义的结论,逻辑上互不矛盾的一组假设都有可能提供一种几何学。

       几乎在罗巴切夫斯基创立非欧几何学的同时,匈牙利数学家鲍耶也发现了第五公设不可证明和非欧几何学的存在。鲍耶在研究 非欧几何学的过程中也遭到了家庭、社会的冷漠对待。他的父亲数学家鲍耶·法尔卡什认为研究第五公设是耗费精力劳而无功的蠢事,劝他放弃这种研究。但鲍耶坚持为发展新的几何学而辛勤工作。终于在1832年,在他的父亲的一本著作里,以附录的形式发表了研究结果

       高斯也发现第五公设不能证明,并且研究了非欧几何。但是高斯害怕这种理论会遭到当时教会力量的打击和迫害,不敢公开发表自己的研究成果,只是在书信中向自己的朋友表示了自己的看法,也不敢站出来公开支持罗巴切夫斯基、鲍耶他们的新理论

      几何特性曲率),现存非欧几何类型可以概括如下:

       坚持第五公设,引出欧几里得几何。

      以“可以引最少两条平行线”为新公设,引出罗氏几何(或称双曲面几何)。

      以“一条平行线也不能引”为新公设,引出黎曼几何(或称椭圆几何)。

      这三种几何学,都是常曲率空间中的几何学,分别对应曲率0负常数正常数的情况。

如果完全去掉第五公设,就得到更加一般化的绝对几何。这种几何不仅可以囊括前面提到的三种几何,而且允许空间的不同位置有不同的曲率。黎曼几何是描述任意维数任意弯曲的绝对几何空间的一种微分解析几何学。

      一般来讲,非欧几何广义狭义通常意义三个不同含义:

      广义的非欧几何泛指一切和欧几里得几何不同的几何学

      狭义的非欧几何只是指罗式几何或黎曼几何。

      通常意义的非欧几何指罗式几何和黎曼几何二者

      黎曼1851年博士论文《单复变函数一般理论基础》,其重要性恰如著名数学家阿尔福斯所说,这篇论文不仅包含了现代复变函数论主要部分的萌芽,而且开启了拓扑学的系统研究,革新了代数几何,并为黎曼自己的微分几何研究铺平了道路。此外,建立了柯西—黎曼条件,真正使这方程成为复分析大厦的基石,揭示出复函数与实函数之间的深刻区别是黎曼映射定理。19世纪,黎曼把这个概念加以推广。两个非欧几里得几何的特例是球面几何双曲几何

       德国数学家黎曼19世纪中期提出的几何学理论1854年黎曼在格丁根大学发表的题为《论作为几何学基础的假设》的就职演说,通常被认为是黎曼几何学的源头。在这篇演说中,黎曼将曲面本身看成一个独立的几何实体,而不是把它仅仅看作欧几里得空间中的一个几何实体。黎曼认识到度量只是加到流形上的一种结构,并且在同一流形上可以有许多不同的度量。黎曼意识到区分诱导度量和独立的黎曼度量的重要性,从而摆脱了经典微分几何曲面论中局限于诱导度量的束缚,创立了黎曼几何学,为近代数学和物理学的发展作出了杰出贡献。

      1915年,爱因斯坦运用黎曼几何和张量分析工具创立了新的引力理论——广义相对论。使黎曼几何(严格地说洛伦兹几何)及其运算方法(里奇算法)成为广义相对论研究的有效数学工具。而相对论近年的发展则受到整体微分几何的强烈影响。例如矢量丛和联络论构成规范场(杨-米尔斯场)的数学基础。

       物理学中,牛顿力学是建立在欧式空间上的,而广义相对论里的时空是一个黎曼流形。

       在平面上,两点间的最短距离是线段,但是在双曲面上,两点间的最短距离则是曲线,因为平面上的最短距离平面上,那么 曲面上的最短距离也只能在曲面上,而不能跑到曲面外抻直,故这个最短距离只能是曲线

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