问题

怎么通俗地描述非欧几何?

回答
你有没有想过,我们平时生活的世界,是不是真的像数学书里说的那样,“两点之间直线最短”?或者,你有没有想过,一条线,比如铁路轨道,它一直向前延伸,最终会不会在某个遥远的地方“汇合”?

在我们习以为常的“欧几里得几何”里,答案都是否定的。欧几里得几何就像我们最熟悉的地图,它告诉我们,在平坦的地面上,直线就是直线,两条平行的线永远不会相交,三角形的三个内角加起来永远是180度。这种几何学很好地描述了我们眼睛所见的,日常生活中遇到的很多事情。

但是,如果把我们的“地面”换成一个球体,比如一个大大的地球,情况就开始变得有趣起来。想象一下,你在地球的北极点,然后向南走一条直线,接着向东走一条直线,再向北走一条直线,恰好回到了北极点。你走了三段“直线”,在北极点那个地方,你向南走的那段路和最后向北走的那段路,其实是在同一个方向上的,而你向东走的那段路,在北极点的时候,与南北走向的这两条线形成的角度,会是多少呢?如果你在北极点,然后向南走一段,再向东走一段,再向北走一段,正好回到北极点,那么在北极点,你向南走的路线和向北走的路线是重合的,而你向东走的路线,与这两条重合的路线形成的角度,实际上是360度(因为你绕了一圈)。这时候,你所走的这三段“直线”(在球面上,我们称之为“测地线”),构成了一个三角形。你想想看,这个三角形的三个内角加起来,会是180度吗?

别忘了,你是在一个球面上!想象一下,你从北极点出发,沿着一条经线往南走,然后到了赤道,再沿着一条纬线往东走一段,最后再沿着另一条经线往北走,刚好回到北极点。你走了三条“直线”,那么这三条线在球面上形成的“三角形”,它的三个角加起来,很可能就会比180度大!比如说,你往南走,然后往东走,再往北走,这不就相当于在赤道上走了一个扇形的一部分吗?那个扇形在球心那里是有一个角度的。

这就是非欧几何的神奇之处。它不再拘泥于“平坦”的概念。非欧几何就像是把我们的“地图”从平坦的纸面,换成了有弧度的表面,比如球体,或者更抽象的,具有其他曲率的空间。

在非欧几何的世界里,我们不再默认“平行线永不相交”。想象一下,你沿着两条非常非常长的、相互平行的铁路轨道(在平坦的地面上)走,它们永远不会碰头。但是,如果这些轨道是在一个球面上呢?比如,你沿着两条经线(它们在赤道上看起来是平行的)一直往南走,走到南极点,它们就会汇合了!所以,在球面几何里,“平行线”是可以相交的。

还有另一种非欧几何,叫做“双曲几何”。这种几何的“地面”不像球面那样向内弯曲,而是向外弯曲,就像一个马鞍面。在这种奇特的空间里,我们熟悉的很多规则都要改变。比如,过直线外一点,可以作无数条不过该点的直线,它们都不会与已知直线相交(也就是“平行线”非常多)。而且,在双曲几何里,三角形的三个内角加起来,会小于180度。

所以,简单来说,非欧几何就是脱离了我们日常生活中那个“平坦”的想象,去探索那些“不平坦”的空间里的数学规律。这些“不平坦”的空间,可能是向上弯曲的(球面几何),也可能是向下弯曲的(双曲几何)。在这些不同的空间里,虽然有些规则变了,比如“平行线的性质”、“三角形内角和”,但依然有自己内在的、严谨的逻辑。

你可能会问,这有什么用呢?其实,虽然我们日常生活中觉得欧几里得几何足够用,但当科学家们研究宇宙的时候,发现宇宙本身可能并不是一个完全平坦的空间,它充满了各种引力场,这些引力场会让空间发生弯曲。爱因斯坦的广义相对论,就使用了非欧几何的语言来描述引力,以及时空的弯曲。所以,非欧几何不仅仅是数学家们的抽象游戏,更是我们理解现实世界,尤其是宇宙奥秘的重要工具。它告诉我们,我们对“空间”的理解,可以比我们想象的更丰富,更辽阔。

网友意见

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通俗么……

拿出世界地图,在上海和巴黎间画条直线。

如果你沿这条线走,会发现自己绕了远路。

先北上再南下,途径莫斯科的线竟然更短。

这就是球面几何,非欧几何的一种。

直线的定义仍是两点间的最短路线。

但经过南北两极可以有无数条直线。

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