罗巴切夫斯基:俄国数学天才,称平行线可以相交,死后12年被证实

罗巴切夫斯基:俄国数学天才,称平行线可以相交,死后12年被证实

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所谓的平行线,字面上的意思便是指两条永不交汇的直线。这一认识不仅源自人们的日常经验,而且也是欧几里得几何学中最为重要的基本假设之一。

然而,在19世纪,俄国数学家罗巴切夫斯基提出了一个大胆的理论,他断言:即使是平行线,也有可能最终交汇。这个理论当时遭到了广泛的质疑与反对,无论是普通人还是资深数学家,都不愿接受这个挑战常识的观点,甚至罗巴切夫斯基本人也因此在世时受到了冷遇与讽刺。

然而,奇妙的是,罗巴切夫斯基去世12年后,他的这一理论竟然被数学界所证实,最终发展为一门崭新的学科。这一发现不仅为数学的发展注入了强劲的动力,还对哲学、物理学等多个学科领域产生了深远的影响。

“平行线可以相交”的“荒谬”论点究竟是如何被提出的?罗巴切夫斯基又是如何证明这一理论的?这一证明又如何深刻影响后世?一切要从古希腊著名数学家欧几里得的经典著作《几何原本》谈起。

公元前3世纪,欧几里得基于前人的几何研究成果,撰写了具有划时代意义的巨著《几何原本》。这本书中,欧几里得提出了五条公理和五条公设,奠定了几何学的基础。

其中五条公理包括:等量的量相等;等量加等量和仍等量;等量减等量差仍等量;重合的物体全等;整体大于部分。五条公设中的前四条分别是:任意两点之间可以画一条直线;有限的直线可以延伸;以任意点为圆心、任意长度为半径可画圆;所有直角相等。

这些公理和公设,或许源于日常观察和经验,欧几里得认为它们无可争议,几何学的所有定理都应以这些为基础。即便是普通人也能理解这些公理所述的是非常简单且直白的真理,后来的数学家对此也没有异议。

然而,在这些公设之后,欧几里得还提出了第五条公设,即“平行公设”。它的内容是:在同一平面内,如果一条直线与两条直线相交,且交点处的内角和小于两直角,则这两条直线在该侧延伸后必定相交。这条公设涉及到平行线,因此常被称为“平行公设”。

但这一公设在形式和内容上,与其他公理和公设截然不同,显得冗长且复杂,缺乏简洁的美感。它的表述也不像其他公设那样显而易见,因此许多数学家视其为欧几里得几何的“家丑”。自《几何原本》问世以来,数学家们便尝试简化这一公设,希望解决这一难题。

在近两千年的时间里,数学家们提出了无数替代方案。直到18世纪末,英国数学家普莱费尔提出,平行公设可以简化为:过已知直线外一点,只有一条直线与之平行。这个表述比原公设简洁得多,如今许多几何教材都采用这一表述,但它依然无法像其他公设那样不证自明。

因此,数学家们继续探索,希望能够证明平行公设是由其他的公理或公设推导出来的,那样它便不再需要作为公设存在。为了实现这一目标,数学家们投入了上千年的时间,仍未能取得突破。直到罗巴切夫斯基的时代,这一难题才得到解答。

罗巴切夫斯基生于1792年,他的父亲原为波兰人,后因波兰分裂而成为俄罗斯人。罗巴切夫斯基一家曾生活得较为富足,但在他七岁时,父亲因病去世,家庭迅速陷入困境。尽管如此,母亲依旧竭尽全力让他继续学业,最终罗巴切夫斯基在1807年考入喀山大学,成为公费生,并师从数学大家巴斯特。

巴斯特当时已是数学界的权威,被誉为“数学之王”高斯的老师。凭借巴斯特的指导,罗巴切夫斯基在四年内便获得博士学位,并在24岁时成为喀山大学的教授。学术上取得巨大成就的同时,罗巴切夫斯基还参与了大学的行政工作,并在35岁时被推举为喀山大学的校长,担任此职务长达20年。然而,尽管他在管理上备受赞誉,却未能获得同行学者的学术认可。

罗巴切夫斯基作为数学家,一直认为任何学科的基础概念都应当是明确且简洁的。因此,他对欧几里得几何中的平行公设产生了强烈的质疑。最初,他希望能够通过已有的五条公理和四条公设推导出平行公设,但经过多次尝试,罗巴切夫斯基发现这一目标无法实现。最后,他接受了这一结论:平行公设无法被证明。

为了进一步验证这一点,罗巴切夫斯基采用了反证法。他首先否定了平行公设的等价命题——普莱费尔公设,然后尝试从欧几里得的五公理和四公设出发进行推理。如果推理过程中出现矛盾,便说明该命题无法否定,而平行公设便应当成立。如果没有矛盾,则可以得出平行公设无法被证明的结论。

在这一过程中,罗巴切夫斯基发现了许多“怪异”的结论,比如同一直线的垂直线与斜线未必相交,垂直于同一直线的平行线竟然可以相交,等等。尽管这些结论乍看之下离经叛道,但它们却在逻辑上完全自洽。于是,罗巴切夫斯基大胆猜测,也许人们对几何的认知并不全面,可能存在一种“新的几何学”。

他将这一发现称之为“想象几何”,并撰写成论文。在喀山大学的学术会议上宣读时,却未能得到学术界的认同。此后,罗巴切夫斯基将自己的论文提交给了彼得堡科学院,但同样没有得到回应。于是,他将目光转向了整个欧洲,甚至自学了法语和德语,亲自翻译自己的作品。

最终,德国数学家高斯阅读了他的论文。高斯虽然非常欣喜地发现罗巴切夫斯基与自己曾有过类似的思考,但他也深知,公开支持罗巴切夫斯基的学说可能会招来巨大的争议。于是,尽管私下里对罗巴切夫斯基表示赞赏,但他始终未曾在公开场合表态。

尽管学术界对罗巴切夫斯基的理论冷漠甚至敌视,民间却出现了大量的质疑和嘲笑。许多人误解罗巴切夫斯基的理论,简单地将其理解为“平行线相交”的想法,甚至讽刺他为“几何学漫画”。

在这一切压力之下,罗巴切夫斯基依然坚持自己的研究,不放弃对“想象几何学”的探索。然而,最终他还是未能看到自己理论被广泛认可的一天。1856年,罗巴切夫斯基因病去世。

在他去世后,高斯等数学家才逐渐认识到罗巴切夫斯基学说的革命性。直到1868年,意大利数学家贝特拉米成功证明,罗巴切夫斯基的学说可以在某些曲面上实现,这为非欧几何学的崛起铺平了道路。

随着黎曼几何的创立,非欧几何学与欧几里得几何相统一,进一步发展成为现代数学的一部分,并对物理学产生了深远的影响,尤其是对相对论的形成起到了至关重要的作用。罗巴切夫斯基的学说不仅对数学产生了巨大的影响,也推动了科学、哲学等领域的进步,成为历史长河中不可忽视的一笔。

1983年,喀山大学为罗巴切夫斯基树立了雕像,标志着他在数学史上的重要地位得到了应有的肯定。罗巴切夫斯基不仅是科学史上伟大的探索者,也是所有敢于挑战传统、勇于创新的人们的榜样。

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