如果沒有他,愛因斯坦的偉大就要打折扣

接觸過高等數學知識的人,對“黎曼”這一詞肯定不會陌生,如柯西-黎曼方程、黎曼積分、黎曼引理、黎曼ζ函數、黎曼流形、黎曼映照定理、黎曼空間、黎曼-希爾伯特問題、黎曼思路迴環矩陣等這些定理或公式,都與“黎曼”一詞有關。

在數學分析和微分幾何等領域裡,黎曼就像一個王者,統治著這些數學分支的發展,甚至對物理學等其他領域的發展也產生著重要的影響。

誰是黎曼?黎曼又是什麼樣的數學家?他為什麼能成就愛因斯坦呢?

黎曼全名是波恩哈德·黎曼(1826年—1866年),他是德國著名的數學家,主要的數學成就集中在數學分析和微分幾何兩個領域裡,特別是黎曼開創了黎曼幾何,這是他最偉大的數學成就之一。

如果沒有他,愛因斯坦的偉大就要打折扣

黎曼

黎曼幾何、歐氏幾何和羅氏幾何(羅巴切夫斯基和鮑耶創建的幾何稱為羅氏幾何),這三大幾何是幾何學裡最重要的內容,成為現代幾何學的支架。

黎曼在1826年出生於德國的一個小鎮佈列斯倫茨,他從小體弱多病,造成性格較為孤僻,如終生喜歡獨處。

黎曼一開始接觸學習的主課並不是數學,他的父親是一名牧師。受家庭環境的影響,在1846年,黎曼進入哥廷根大學學習的是哲學和神學。

在偶然機會之下,黎曼接觸了一些數學書籍或講座,如高斯關於最小二乘法的演講,從此對數學愛的一發不可收拾,決心走上學習和研究數學的道路。

黎曼把這個想法告訴了父親,並得到了父親的允許,從此便改學數學。

黎曼在大學期間,主要受到 C.G.J.雅可比和P.G.L.狄利克雷等數學家的影響。

如果沒有他,愛因斯坦的偉大就要打折扣

黎曼

在1851年,黎曼就發表了著名的柯西-黎曼方程,( 即論證了複變函數可導的必要充分條件) 。同時,黎曼藉助狄利克雷原理闡述了黎曼映射定理,併成為函數的幾何理論的基礎。

在1853年,黎曼定義了黎曼積分,並進一步研究了三角級數收斂的準則。

在1854年,黎曼建立了著名的黎曼空間的概念,直接把歐氏幾何、非歐幾何納入了黎曼空間的體系之中。

也就是在同一年(1854年),黎曼發表了著名的演說《論作為幾何學基礎的假設》,告訴世人還存在著另一種幾何學,並創立了黎曼幾何學,開創了幾何學的一片新的廣闊領域。

那麼,如何去理解黎曼幾何呢?

在很多人的常識裡,兩條平行的直線是不存在著交點,但這個定理在黎曼幾何是“錯誤”的。因為在黎曼幾何中是這樣去規定:在同一平面內任何兩條直線都有公共點(交點)。直白的講,在黎曼幾何學中是不承認平行線的存在。同時,黎曼幾何還講到:直線可以無限延長,但總的長度是有限的。

因此,按照這些基本規定,在黎曼的設想裡,黎曼幾何的模型是一個經過適當“改進”的球面。更加直白的講,黎曼幾何將曲面本身看成一個獨立的幾何實體,而不是把它僅僅看作歐幾里得空間中的一個幾何實體。

如果沒有他,愛因斯坦的偉大就要打折扣

看到這裡,或許有人會問:到底有沒有平行線?哪種幾何定理才是真的呢?其實,它們都是對的。

在中小學時期,我們接觸的幾何一般是屬於歐式幾何,但在高等數學裡,黎曼幾何和羅氏幾何就佔據著重要的位置。

歐氏幾何、羅氏幾何和黎曼幾何是三種不同,但又緊密聯繫的幾何。這三種幾何在自己的領域裡,所有的命題都構成了一個嚴密的公理體系,各個公理之間滿足了和諧性、完備性和獨立性這三大最基本數學要素。

因此,直線會不會平行,要看你在哪一個幾何學裡去判定。

那麼,歐氏幾何、羅氏幾何和黎曼幾何分別有什麼作用呢?

在現實生活工作中,我們用到的幾何一般都屬於歐式幾何,它就能滿足你的基本生活需求;

在浩瀚的宇宙空間,或是小到原子核世界,就需要用到羅氏幾何;

當我們需要了解某一顆星球的狀況,如在地球的表面研究航海、航空等實際問題,就需要用到黎曼幾何。

嚴謹的說法:歐氏幾何是平直空間中的幾何,羅氏幾何則是負曲率空間中的幾何,黎曼幾何是正曲率空間中的幾何。

如果沒有他,愛因斯坦的偉大就要打折扣

從黎曼幾何誕生那一刻起,就註定了不平凡,經過後續一些數學家完善和發展,黎曼幾何不僅對拓撲學、偏微分方程、多復交函數論等數學分支產生重要影響,更直接影響現代物理學的發展。

如偉大的物理學家愛因斯坦,在1915年發表了著名的廣義相對論,正是以黎曼幾何為數學基礎。

愛因斯坦在廣義相對論裡說明到:放棄了關於時空均勻性的觀念,認為時空只是在充分小的空間裡以一種近似性而均勻的,但是整個時空卻是不均勻的。

愛因斯坦關於時空的物理解釋,正是黎曼幾何的數學觀念,因此,愛因斯坦的廣義相對論中的空間幾何本質上就是黎曼幾何。

很多人認為黎曼貢獻了“黎曼幾何”之後,已經算得上是一位偉大的數學家,但沒想到的是黎曼給世人留下更“麻煩”的事情,那就是著名的黎曼猜想。

黎曼猜想可以說是黎曼留給後人的最大難題之一,更是當今數學界最重要的數學難題。因此,希爾伯特在1900年把它列為20世紀數學家應當努力解決的23個數學問題之一,在千禧之年,克雷數學研究所把黎曼猜想當作世界七大數學難題之一。

如果沒有他,愛因斯坦的偉大就要打折扣

​什麼是黎曼猜想?

它要求解決的是黎曼zeta函數ζ(s)的非平凡零點都位於複平面Re(s)=1/2直線上,數學家們把這條直線稱為臨界線。

很多人聽說過費馬大定理和哥德巴赫猜想,或許沒聽說過黎曼猜想。不過,黎曼猜想在數學上的重要性要遠遠超過另外兩個,因為在當今數學文獻中,已經有超過一千多條的數學命題是以黎曼猜想(或其推廣形式)的成立為前提條件。換句話說,如果黎曼猜想不成立,那麼這一千多條的數學命題就要作廢,屬於假命題,對數學發展的打擊是非常大。

黎曼的主要著作有以下這些:《引力、電、磁》、《數學物理的微分方程》、《單複變函數一般理論的基礎》、《橢圓函數論》、《藉助三角級數表示函數的可能性》、《不超過已知數的素數的數量》、《關於以幾何學為基礎的假設》等。


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