大家好，我是科学羊。
在漫长的数学史中，欧几里得无疑是最伟大的思想家之一。
他的著作《几何原理》，或称《元素》，不仅奠定了几何学的基础，还成为了整个数学领域中最具影响力的经典作品之一。
作为仅次于《圣经》的世界上翻译和传播最广的著作，《元素》对人类的思想和科学产生了深远影响。
欧几里得的伟大不仅仅在于他系统地提出了几何学的基本原理，更在于他创新性地将几何学的复杂性提炼为一系列简单的公理。
这种方法，不仅为几何学提供了一个逻辑清晰的框架，还推动了整个数学和科学领域的演绎推理的发展。
然而，尽管欧几里得的前四条公理被广泛接受，第五条公理，即著名的“平行公设”，却引发了许多数学家的质疑和思考。
01 欧几里得的第五公设与平行线的奥秘
第五公设的核心在于平行线的行为。
它描述了这样一个情况：如果两条直线被一条交叉线切割，并且交叉线一侧的内角之和小于180度，那么这两条直线在延长时将会相交。
尽管这个假设看似简单，但它的复杂性和不那么直观的性质让许多数学家感到不安。
相较于前四个不言自明的公理，第五公设似乎更像一个需要证明的定理，而不是基本真理。
几千年来，无数的数学家试图从其他更简单的公理中推导出第五公设。托勒密、阿尔哈曾和普罗克洛斯等数学家都为之绞尽脑汁，但未能成功证明它是一个定理。
然而，19世纪初，一位名叫雅诺斯·博耶的匈牙利数学家突破了这一局限。
02 雅诺斯·博耶与非欧几何的诞生
博耶年轻时便对第五公设的问题产生了浓厚的兴趣，但他没有像前人那样试图证明它，而是提出了一个革命性的想法：或许第五公设并不需要成立。这个思路的提出，直接导致了双曲几何和椭圆几何的诞生。
在双曲几何中，博耶和罗巴切夫斯基等数学家发现，通过一个给定点可以作出不止一条与一条直线平行的线。
这与欧几里得几何中的单一平行线概念截然不同。在这种几何中，空间是负弯曲的，类似于马鞍形的曲面。这种空间特性导致三角形的内角和总是小于180度。
而在椭圆几何中，空间是正弯曲的，类似于球面。
在这种几何中，所有的直线最终都会相交，也就是说根本不存在平行线。三角形的内角和总是大于180度，这可以通过在球面上绘制大圆形的三角形来观察。
这两种新几何学的发现，不仅改变了人们对几何学的认知，还为描述物理宇宙提供了新的工具。
尤其是在后来爱因斯坦的广义相对论中，椭圆几何被广泛应用，成为理解时空弯曲和引力的一部分。
03 时空的曲率与宇宙的形状
爱因斯坦的广义相对论依赖于黎曼几何，这是一种非欧几何。根据这一理论，空间和时间并不是独立存在的，它们共同构成了四维的时空，而大质量的物体会导致时空发生弯曲。
这种时空的曲率取代了牛顿的万有引力定律，解释了物体如何沿着时空中的“直线”运动。
正如在橡胶膜上放置一个重球，小球沿着弯曲的橡胶膜轨迹运动一样，行星和恒星在弯曲的时空中沿着曲线轨道运动。
这种弯曲时空的几何结构，决定了宇宙的形状。科学家认为，宇宙可能呈现三种几何形态之一：
1、球面几何（正曲率）：在这种几何中，宇宙是封闭的，空间像球面一样弯曲。平行线最终会相交，三角形的内角和大于180度。
2、这样的宇宙是有限的，但无边界：就像你在地球上可以绕地球一圈又回到原点一样。
3、平面几何（零曲率）：这种宇宙的曲率为零，类似于欧几里得几何。在这种几何中，平行线永不相交，三角形的内角和正好是180度。
宇宙是无限的，并将以恒定的速度扩展。
4、双曲几何（负曲率）：在双曲几何中，空间是负弯曲的，类似于马鞍形。
平行线会发散，三角形的内角和小于180度。这种几何的宇宙是无限的，并且会永远加速膨胀。
04 测量宇宙的形状：三角形的秘密
要确定宇宙的形状，科学家们尝试测量宇宙中最大的三角形。这一想法基于这样一个事实：在非欧几何中，曲率的影响在大尺度上会更加显著。
为了找到宇宙中最大的三角形，天文学家转向了宇宙微波背景辐射（CMB），这是大爆炸后留下的最古老的光。
通过测量CMB中的温度变化，科学家们能够分析这些变化点之间的角度。
普朗克探测器的精密观测显示，这些角度几乎完美符合平面几何的预期——三角形的内角和接近180度。
这一结果让科学家们得出结论，宇宙是接近平坦的，尽管可能存在微小的偏差。
欧几里得在两千多年前提出的几何公理，如今仍在帮助我们解开宇宙的奥秘。最初只是在古代几何学中的简单假设，如今已演变成一种测量时空和宇宙结构的工具。
数学不仅是一种描述现实的语言，它也是我们理解宇宙的关键。通过数学，我们能够突破感知的极限，窥见无限的真相，揭示宇宙最深层的秘密。
总结：
今天，非欧几何学已成为许多科学领域的重要工具，尤其是在物理学、天文学和宇宙学中。它不仅让我们对空间和时间有了更深的理解，还推动了拓扑学、代数几何等其他数学分支的发展。
这些数学工具为我们描绘了一个比欧几里得几何更广阔的世界，并让我们有能力探索和理解那些远超我们直觉的复杂概念。
好，今天就先这样啦～
科学羊🐏 2024/10/14
祝幸福~
「感恩关注，科学羊持续为您带来最好的科普知识」
往期推荐
要命！被称为卡罗来纳死神的辣椒到底有多辣？
好奇！2024年诺贝尔物理奖为什么颁发给了计算机科学的AI?
物质是如何在我们的宇宙中存在的？
