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欧几里德的几何时空 诺奖得主Wilczek
2022-03-11 19:59:06 来源: 返朴

历经两千多年历史,经历了相对论和量子力学革命,古希腊的几何学至今仍在发挥影响。

公元前约300年,古希腊数学家欧几里德写下了他著名的《几何原本》(Elements)。这本书是思想和表达方式的不朽之杰作。它以几条明确设定的、不言自明的公设或公理为前提,通过演绎与推理,得到了丰富的、强有力的、甚至惊人的结论。《几何原本》不仅是空间几何与测量科学的好教材,也广泛用于培养与提高学生的逻辑思维能力。两千多年来,尽管期间有发展非常缓慢的阶段,科学已经有了非常大的进展,而欧几里德几何,尽管有些缓慢的拓展与变化,却延续至今。

牛顿的经典力学与万有引力以及麦克斯韦的电磁场理论,均建立在欧几里德几何的基础上。这些理论引入了粒子、场和力的概念,但它们存在的空间却是由欧几里德几何描述的空间。

在欧几里得几何的所有公设中,平行公设似乎不那么令人信服。平行公设说 :通过一条直线上不同点的两条垂线永远不会相交,但通过这两点的所有其他线都会相交一次。19世纪的数学家发现,如果对平行公设进行修改,而保持其他几个公设不变,就能漂亮地推理出关于曲面几何的正确描述。

德国数学家黎曼则用了更激进的方法。为了描述曲面和高维的超曲面,他提出在小尺度上欧几里德几何总是适用的,因为此时曲率的影响可以忽略不计。而如果要描述大尺度上的空间,必须将局部的几何描述编织在一起。比如,一名高山滑雪运动员在跌宕起伏的山上比赛时会尽力保持直滑下降,但她在整个过程中的滑雪轨迹却是一条曲线。

1905年,爱因斯坦提出了狭义相对论。他的老师闵科夫斯基受到启发,对欧氏几何作了另一种推广。1908年,闵科夫斯基在演讲《空间与时间》(Space and Time)的结尾宣称:“从现在起,孤立的空间与孤立的时间注定将黯然消失,只有两者的某种统一才能保持独立的存在。”但是闵可夫斯基时空仍然植根于欧氏几何。虽然它对平行公设进行了简单的推广,但在固定的时间,其时空的“空间”部分是纯粹的欧几里得空间。直到1915年,类似黎曼对欧几里得空间的修改,爱因斯坦将曲率引入闵可夫斯基时空,建立了广义相对论。

基于弯曲时空的广义相对论非常成功。它为众多远超古希腊人想象的科学预言提供了理论基础,如宇宙膨胀、引力波、以及连接遥远时空的虫洞。然而,爱因斯坦的理论框架依然带着鲜明的欧几里德几何的印记——通过对欧几里得空间进行拓展与修改,纳入了时间和大尺度的曲率。

量子效应似乎破坏了欧几里得空间的核心基础,即空间能够被精细切分并被度规测量的可能性。一把真正的标尺是由原子组成的,而原子是由弥散在空间的电子波函数构成的。后来的数学发展还发现,除了平行公设,其它的欧几里德公设也都并非不证自明。比如,他的连续体很难严格定义 ;如果你能一个一个地数物理空间的点,就像我们在(简化的)数字图像中所做的那样,那就容易多了。

然而,在用来描述基本相互作用的标准模型中,我们依然看见了欧氏几何的身影 :相对论量子场仍然存在于欧几里德的连续空间中,更准确地说,是存在于爱因斯坦的狭义相对论时空中。我想,这大概就是著名理论物理学家尤金 · 维格纳(Eugene Wigner)所说的“数学在自然科学中不合理的有效性”吧。

弗兰克·维尔切克是麻省理工学院物理学教授、量子色动力学的奠基人之一。因发现了量子色动力学的渐近自由现象,他在2004年获得了诺贝尔物理学奖。

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