陈省身: 什么是几何学 (二)


陈省身先生在台湾大学的演讲(节选)

我回头再讲一点欧几里德。那时的欧几里德的《几何原本》并不仅仅是几何,而是整个数学。因为那时候的数学还没有发现微积分,无穷的观念虽然已经有了,不过不怎么普遍。我再说一点,就很可惜的是欧几里德的身世我们知道得很少,只知道他大概生活在公元前三百年左右。他是亚历山大学校的几何教授,他的《几何原本》大概是当时的一个课本。亚历山大大学是希腊文化最后集中的一个地方。因为亚历山大自己到过亚历山大,因此就建立了当时北非的大城,靠在地中海。但是他远在到亚洲之后,我们知道他很快就死了。之后,他的大将托勒密(PtolelmyySoter)管理当时的埃及区域。托勒密很重视学问,就成立了一个大学。这个大学就在他的王宫旁边,是当时全世界伟大的大学,设备非常好,有许多书。很可惜由于宗教的原因,由于众多的原因,现在这个学校被完全毁掉了。当时的基督教就不喜欢这个学校,己经开始被毁了,然后回教人占领了北非之后,就大规地破坏,把图书馆的书都拿出来烧掉。所以现在这个学校完全不存在了。
几何是很重要的,因为大家觉得几何就是数学。比方说,现在还有这一印象,法国的科学院,它的数学组叫做几何组。对于法国来讲,搞数学的不称数学家,而叫几何学家,这都是受当时几何的影响。当时的几何比现在的几何的范围来得广。不过从另一方面讲现在的范围更广了,就是我刚才讲到的坐标不一定有意义。一个空间可以有好几种坐标,那么怎样描述空间呢?这就显得很困难啦,因为空间到底有什么样的几何性质,这也是一个大问题。高斯与黎曼建立和发展了这方面的理论。高斯是德国人,我想他是近代数学最伟大的一个数学家。黎曼实际上是他的继承人,也是德国教学家。他们都是哥廷根大学的教授。可惜的是黎曼活看时身体不好,有肺结核病,四十岁就死了。他们的发展有一个主要目的,就是要发展一个空间,它的坐标是局部的。空间里只有坐标,反正你不能讲坐标是什么,只知道坐标代表一个点,所以只是一小块里的点可以用坐标表示。因此虽然点的性质可以用解析关系来表示,但是如何研究空间这就成了大问题。
在这个之前,我刚才又忘了一个,就是基础的数学是欧几里德的书,但是欧几里德的书出了一个毛病。因为欧几里德用公理经过逻辑的手段得到结论。例如说,三角形三角之和一定等于180度,这是了不得的结果。欧几里德可以用公理几步就把它证明了,是一个结论。这个比现代的科学简单得多了。我们刚才听了很多话,科学家做科学研究,第一样就是跟政府要钱,跟社会要钱,说你给了我钱,我才能做实验。当然实验是科学的基础。但是这样一来就会有许多的社会问题和政治问题。欧几里德说,你给我一张纸,我只要写几下,就证明了这个结果。不但如此,我是搞数学的,我说数学理论还有优点,数学的理论可以预测实验的结果。不用实验,用数学可以得到结论,然后用实验去证明。当然实验有时的证明不对,也许你的理论就不对了,那当然也有这个毛病。欧几里德的公理是非常明显的,但是他有一个有名的公理叫第五公设出了问题。这个第五公设讲起来比较长,但是简单地说,就是有一条直线与线外一点,经过这点只有一条直线与这条已给的直线平行。这个你要随便画图的话,觉得相当可信。可是你要严格追问的话,这个公理不大明显,至少不如其它公理这样明显。所以这个第五公设对当时数学界喜欢思想的人是个大问题。当时最理想的情形是:第五公设可以用其它的公理推得,变成一个所谓的定理。那就简单化了,并且可做这个实验。我们搞数学的人有一个简单的方法,就是我要证明这个公理,我先假定这个公理不对,看是不是可以得到矛盾。如果得到矛盾,就证明它是对的了。这就是所谓间接证明法。有人就想用这个方法证明第五公设,但是都失败了。我们现在知道这个第五公设并不一定对,经过一点的并行线可以有无数条,这就是非欧几何的发现。非欧几何的发现,它的社会意义很大,因为它表示空间不一定只有一个。西洋的社会相信上帝只有一个,怎么会有两个空间,或者很多个空间呢?当时这是个很严重的社会问题。不止是社会问题,同时也是哲学问题。像德国大哲学家康德,他就觉得只能有欧氏几何,不能有非欧几何。所以当时这是一个很大的争论。非欧几何的发现一个是J.Bolyai,匈牙利人,在1832年;一个是Lobachevski,俄国人,在1847年。不过我刚才讲到大数学家高斯,我们从他的种种著作中知道他完全清楚,但他没有把它发表成一个结论,因为发表这样一个结论,是可以遭到别人反对的。因此就有这么一个争论。等到意大利的几何学家Beltrami,他在欧几里德的三维空间里造了一个曲面,回曲面上的几何就是非欧几何,这对于消除大家的怀疑是一很有利的工具。因为上述结果是说,假定有一个三维的欧几里德空间,就可以造出一个非欧几何的空间来,所以在欧几里德的几何中亦有非欧几何。你假定欧几里德几何,你就得接受非欧几何,因此大家对非欧几何的怀疑有种种的方法慢慢给予解除。【未完待续】

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