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論幾何學之基礎假說 (第 4 頁)

黎曼 (Riemann)
張海潮、李文肇

 

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.原載於數學傳播第十四卷第三期

註釋
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III. 物理空間中的應用

   
 
1.

研究了 n 元量的度量關係的決定方式之後,我們可以給出決定物理空間的度量關係的充要條件;但大前提是,先假設線長是獨立於其形狀,且線元素可表成微分平方式的方根──因此極微小的狀態可視為「平」的。

首先,這些條件可以表成為在每一點有三個面方向,它們的曲率為0;因此,只要三角形三內角和等於兩直角,物理空間的度量關係便確立了。

但其次,如果我們跟歐幾里德一樣,假設不止線獨立於形狀,而體亦然,則結果將是曲率處處為定數;而知道一個三角形的內角和,便知道所有三角形的內角和。

第三,也是最後,與其假設線的長度獨立於位置、方向,亦可假設長度與方向獨立於位置。基於這個觀念,位置的差或變化,是用三個獨立單位表示的複數。

   
 
2.

在前述討論中,我們先將延展性(extension)或區域性(regionality)的觀念和度量關係分開, 然後發現同一個延展關係下可以容許不同的度量關係;我們選擇了一套特殊的度量, 使得物理空間的度量關係得以由此確定,而所有相關的定理可由此推得。 接下來要討論的是,這些假設的產生,是如何依賴經驗。在這裡,延展關係和度量關係差別就大了: 前述第一種情形的可能狀態是離散的,其得自經驗的理解雖未必完全確定,卻是準確的;而第二種可能狀態是連續的,經驗的取決準確率再高,仍是不準的。這種分別,在將經驗擴充到觀察所不能及的大範圍和小範圍時,會特別重要,後者會在觀察能力之外越來越模糊,但前者不會。

物理空間的建構推廣到超乎量度之大時,注意「無界」與「無限」之別,一個是延展關係的,一個是度量關係的。空間是一個無界的三元流形這件事,是一個被用於所有的對外在世界的理解的一個假設。擴充感官認知時要用到它,探索物體的可能位置時也要用到它;從這些用途中不斷肯定這個假設。空閒無界的性質,其確切性比任何一種外在的經驗都強,但無限性卻無法由此得到;恰恰相反的是,如果假設物體獨立於位置,因而給定一個固定的正曲率(不管多小都可以),則物理空間必屬有限。如果在一個曲面方向把初始向量沿長成最短曲線,可以得到一個正常曲率的無界曲面,因而該曲面若在平的三元流形內,必為一球面,因而是有限的。

   
 
3.

超測度之大的問題,對處理自然界現象是沒有用的。但超測度之小的問題則不同。我們對於微觀現象的因果關係的知識,有賴於我們處理無限小問題的精確度。近幾個世紀,人類對於自然界運作方式的理解幾乎全來自建構的精確性,這種精確性來自無限量分析的發明,以及現代物理所借助的阿基米德、牛頓、珈琍略等人的原理。相對的,在尚無法運用這種原理的自然科學中,它的因果關係仍有賴於微量的分析,但只能做到顯微鏡的放大極限為止。因此,物理空間的度量關係中,無限小的問題並非無用。

我們若假設物體獨立於位置而存在,則曲率必處處為常數,而由天文觀測中可知,這個常數不能非0;至少,其倒數必大到使望遠鏡的觀測範圍變得微不足道。但如果物體不獨立於位置而存在,則無限小的度量關係便不能由無限大的來下結論;每一點的曲率都可以在三個方向自由變動,只要滿足空間中每一個可測量的部分的總曲率顯然是0。若線元素無法如先前所述,表為微分式平方和的方根,關係會變得更複雜。物理空間度量關係的基本認知來自剛體和光束的概念,而它們似在無限小的世界中並不適用;因此可以相當肯定的認為,物理空間中的度量關係,在無限小的時侯並不合乎幾何學的假說。事實上,只要這點能夠更方便我們解釋現象,就應立即接受這個假設。

幾何學的假說在無限小時是否適用的問題,牽涉到空間度量關係的基礎。關於此問題(仍屬物理空間的研究),上述的註腳是適用的;在離散流形中,度量關係的原理已經包含在流形的概念中;但在連續的情形,則必須來自別處。因此,要就是物理空間的深層結構是離散流形,要不就是其度量關係的基礎必須自外界尋找,如作用其上的束縛力。

要回答這些問題,必須從現象的理解出發,理解這些經驗所認可的現象;牛頓打下了它的基礎,並一步步用其所無法解釋的現象加以修正。像前面這種,從一般概念出發的研究,只能保證我們的工作並未受狹隘的觀念所限,傳統的偏見並未阻礙我們理解事物的關連性。

這就把我們帶進了另一個領域──物理學,我想我們就此打住吧!

   

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編輯:陳文是 最後修改日期:4/26/2002