A HUMAN HISTORY OF MATHEMATICS凿构周期律 · 数学鑿構週期律 · 數學 · 11 / 25
When the Fifth Postulate Broke Open
第五公设爆开
第五公設爆開
A failed attempt to defend Euclid became a new geometry. Models finally explained why the old proof could never work.
从反证中的敌对假设到可以独立运转的几何,模型怎样改变了两千年的举证责任。
從反證中的敵對假設到可以獨立運轉的幾何,模型怎樣改變了兩千年的舉證責任。
In this essay篇内目录篇內目錄
1. He proved the consequences—and rejected the hypothesis
In 1733 an Italian Jesuit named Girolamo Saccheri published a book whose title promised to vindicate Euclid against every blemish. His allegiance was announced before the argument began. Euclid's fifth postulate, as we saw earlier, looked much more like a theorem needing proof than the shorter assumptions beside it. For centuries, geometers had hoped to derive it from more immediately acceptable principles. Saccheri intended to finish that work.
His strategy was indirect. Deny the disputed condition, follow the consequences, and wait for a contradiction. If the alternative destroyed itself, the Euclidean conclusion would stand. The instrument was a quadrilateral: erect two equal perpendicular sides at the ends of a base, then join their upper endpoints. The summit angles can be shown equal without assuming the parallel postulate. They must therefore both be right, both obtuse, or both acute.
The right-angle case returns us to Euclidean geometry. Saccheri disposed of the obtuse case within the other assumptions he was using, including assumptions about extending lines. That qualification matters: an obtuse-angle hypothesis is not intrinsically meaningless in every conceivable geometry. The acute case was the real difficulty. He pursued it through proposition after proposition without obtaining the required contradiction.
Instead, he derived an organized body of unfamiliar results. Triangle angle sums fall below two right angles. Nonintersecting lines behave differently from Euclidean parallels. The familiar freedom to have similar figures of different sizes disappears. These are not isolated exceptions in one troublesome diagram: the hypothesis imposes consequences across the geometry. In retrospect, Saccheri had developed a substantial portion of elementary hyperbolic geometry.
Counting exactly how many later hyperbolic theorems he possessed would create a false precision. His propositions divide and combine arguments differently from ours. The defensible point is that his results were substantial, while neither a complete hyperbolic trigonometry nor a model of the whole plane was present. He nevertheless concluded that the acute hypothesis must be false because its consequences offended the nature of straight lines.
That was not the logical contradiction his program required. It was an appeal to a Euclidean expectation brought back into the argument under another description. The explicit assumption had been put on trial; an unexpressed intuition about what a line must be was allowed to sit as judge. Our earlier discussion of Euclid's unstated assumptions becomes visible here in the operation of an attempted proof.
A familiar retrospective story says that Saccheri almost discovered non-Euclidean geometry but lost his nerve at the final moment. That diagnosis is too easy. His book was organized as a defense of Euclid, and the alternative geometry was being developed as evidence for its own eventual destruction. He did not publicly adopt it as an independent mathematical subject. To him, the absence of a contradiction meant that the intended refutation was still unfinished.
We need not pretend to know every private thought behind his conclusion. The surviving work makes the important contrast plain enough. A later mathematician could take the same chain of propositions as the contents of a new theory. Saccheri treated it as the unfinished route to the restoration of an old one. What a mathematical result permits depends partly on what question its author believes the result is answering.
2. A sphere with an imaginary radius
Johann Heinrich Lambert carried the investigation further and stopped in a different place. His work on parallels was composed around 1766 but published posthumously in 1786. Those two dates should not be conflated. He used a quadrilateral with three right angles, asking whether the fourth must be right or could instead be obtuse or acute. Like Saccheri's construction, it converted a difficult global assumption into an organized division of cases.
Under the acute hypothesis, Lambert obtained results we now recognize immediately. Triangles have angle sums below 180 degrees. Lines with a common perpendicular separate as one moves away from it. Some familiar properties of Euclidean circles and polygons fail. Most strikingly, the geometry contains a natural length scale, and the area of a triangle is proportional to its angular defect: the amount by which its angle sum falls short of two right angles.
The area relation is not merely an attractive curiosity. In the language developed later, it is a signature of constant negative curvature. It also invited comparison with a familiar geometry. On a sphere, triangle angles add to more than two right angles, and area is connected with the excess. Lambert saw a formal reversal between the two situations. Substitute an imaginary radius in the spherical formulas and some of the signs change in just the required way.
His celebrated suggestion that the third hypothesis might belong to a sphere of imaginary radius was therefore a remarkably perceptive analogy. It was not yet a constructed geometric model. No ordinary sphere with an imaginary physical radius had been exhibited, and no interpretation of every relevant object and relation had been supplied. A formal resemblance can guide discovery without already furnishing the justification later readers wish to find in it.
The episode also returns us to the history of imaginary quantities. By Lambert's time complex calculations were far more developed than they had been in Bombelli's century. It would be wrong to say that they had no mathematical standing at all. But their foundations and geometric interpretation were not yet settled in the later nineteenth-century manner. A still-unsettled kind of quantity was being used to describe a still-unsettled kind of space.
Lambert did not end by issuing Saccheri's emphatic rejection. His unfinished manuscript continued to seek a contradiction. We should not replace that unfinished search with an endorsement he never publicly gave. The result is an intermediate position: powerful deductions and a striking analogy, without a declared new geometry standing independently of the effort to establish Euclid.
Saccheri's book, meanwhile, had not simply vanished for a century and a half. Georg Simon Klügel cited it in his 1763 discussion of parallel-line theories, and Lambert read Klügel. That is a thin channel of transmission, but it is a channel. A work can remain visible in bibliographical traces without generating a school or a continuous research tradition. Around 1889 Saccheri was brought to Beltrami's attention and was repositioned as an important precursor of non-Euclidean geometry.
These are two different histories: a book remaining available, and a book becoming meaningful as the beginning of a recognized subject. The distinction will recur when we reach Bolyai and Lobachevsky. Printed existence is neither the same as effective circulation nor the same as acceptance. To tell the history through publication dates alone is to miss much of what makes a publication matter.
3. What was actually new?
If discovery meant nothing more than proving correct consequences of denying the parallel postulate, a great deal had already happened by 1733 and 1766. Nineteenth-century developments added several different things. They changed the standing of those consequences, organized them into a more comprehensive theory, altered the aims of inquiry, and eventually supplied models. Combining these changes under a single moment of discovery obscures the work each accomplished.
First came a change in status. Saccheri's acute hypothesis was an adversary. Lambert's investigation still belonged to a search for contradiction. Later researchers began to ask what would happen if the alternative were allowed to function as a geometry in its own right. The same propositions could cease to be exhibits awaiting a verdict of impossibility and become the material of an active mathematical discipline.
This was not just a difference of temperament. It changed the next problem. If a theory exists only to be refuted, each new deduction is another failure to locate the fatal contradiction. If it is a subject to be developed, the next tasks are to organize its principles, fill gaps, derive useful formulas, and connect it with other problems. A different purpose reorganizes the future of the same existing mathematics.
Second came systematic calculation. Saccheri had substantial elementary geometry; Lambert had the deep link between area and angular defect. Later work tied together the angle of parallelism, distances, and trigonometric relations, extended plane arguments into space, and explained how Euclidean behavior emerges in a limiting case. Hyperbolic geometry could become a working calculus, comparable in practical organization to spherical trigonometry.
A connected calculus also allows more extensive internal cross-checks. One can calculate a quantity by different routes and test whether the formulas agree. This does not mean that Saccheri's propositions were logically unrelated: they belonged to a genuine chain of deduction. The point is that an integrated computational system makes relationships easier to explore and use. Nor does successful cross-checking prove consistency once and for all. It is a working advantage, not the final foundational argument.
Third came a range of new ambitions. Some investigators questioned whether geometry could be grounded entirely a priori, without experience. Others wanted to isolate the part of geometry independent of the parallel postulate, leaving Euclidean and non-Euclidean theories as alternative developments from a common base. Still others treated the new formulas as an imaginary geometry worth calculating before the philosophical question had been settled. Their projects differed, but all moved beyond assuming the alternative solely to destroy it.
The fourth change was the model. Even hundreds of mutually compatible propositions leave a skeptic free to suggest that a contradiction waits further down the road. Another hundred will not answer the objection in principle. An interpretation in already accepted mathematics changes the question: any contradiction in the interpreted theory would carry over into the mathematics supporting the interpretation.
This decisive development arrived in 1868. It did not make the earlier deductions unimportant; the models gave those deductions a new kind of support. What was new, then, was not merely a larger stock of theorems. It was an answer to the question of what those theorems constituted and how their legitimacy could be related to mathematical practices already trusted.
4. Three paths
Gauss, János Bolyai, and Nikolai Lobachevsky are often grouped as three independent discoverers. The formula is useful for commemoration and less useful for understanding. In Gauss's case, retrospective claims must be distinguished from securely dated evidence. In later letters he said that his thoughts went back thirty, thirty-five, nearly forty, and eventually fifty-four years. The letters are authentic evidence that he made those claims. They are not themselves notebooks from the youthful years to which he referred.
His mathematical diary of 1796–1814 is extraordinarily important, but it does not establish that the young Gauss already possessed a complete theory of hyperbolic geometry. Reliable notes on parallels and foundations survive from the late 1820s and early 1830s. There was a long engagement, not necessarily a finished youthful treatise kept unchanged in a drawer. By the late 1790s he was discussing geometrical foundations with Farkas Bolyai, János's father.
Correspondence around 1816 reveals ideas about an alternative geometry, an undetermined constant, and transcendental trigonometry. In 1819, responding to material on an astral geometry that reached him through an intermediary, he indicated that he could handle the subject once the constant was supplied. His letter to Taurinus of November 8, 1824, is particularly clear: the hypothesis of a triangle angle sum below two right angles leads to a distinctive geometry, strange but not yet yielding an impossibility, with a characteristic scale and an area-defect relation.
In a letter to Bessel dated January 27, 1829, Gauss expressed growing doubt that geometry could be established entirely a priori. He also referred to his fear of the outcry of the Boeotians, an ancient Athenian stereotype used to suggest obtuseness. The phrase is genuine. It supplies one of Gauss's own explanations for withholding publication, but it should not be made to explain everything or to authenticate mathematical content for which no early manuscript survives. Jeremy Gray has emphasized the gap between dated evidence and the fuller achievement sometimes reconstructed on Gauss's behalf.
The Bolyai story proceeds through a different correspondence. On April 4, 1820, Farkas warned his son against the study of parallels, drawing on years he had spent in that apparent darkness. This was more than conventional parental caution. He knew the problem intimately and had discussed it with Gauss. On November 3, 1823, János replied with his announcement of a strange new world created from nothing.
His compact Appendix to his father's mathematical work contained the angle of parallelism, hyperbolic trigonometry, and results in space. An especially important aim was to identify the geometry independent of Euclid's disputed assumption and locate the subsequent branching. The Appendix circulated in connection with the publication of the first volume of Farkas's work; it was not an enormous freestanding treatise.
A copy sent to Gauss in June 1831 failed to arrive. Another reached him in January 1832, and his reply of March 6 said that praising the son's results would amount to praising his own thoughts, developed over thirty to thirty-five years. The letter establishes Gauss's priority claim in 1832. It cannot by itself establish possession of every result in the Appendix in 1797.
The reply contributed to János's alienation and discouragement about publication. It did not end his mathematical thinking. In 1848 he read Lobachevsky and wrote extensive critical and comparative notes, even entertaining suspicions about a connection with Gauss. Large manuscript remains survive. The claim that one letter destroyed a genius's entire working life confuses the near-end of a public publication career with the cessation of research. Immediate dramatic scenes of his reaction require sources, not merely narrative plausibility.
Lobachevsky took the most sustained public route. A presentation at Kazan in February 1826 preceded the lost early manuscript. His systematic account appeared in five installments in a Kazan University periodical during 1829–1830. The limited circulation of a Russian-language provincial journal was a real obstacle, involving language, exchange networks, and institutional standing rather than simply slow mail.
In 1837 he published in French in Crelle's important Berlin journal, and in 1840 a compact German book appeared in Berlin. From that point, physical inaccessibility in western Europe cannot explain the whole reception problem. Gauss read the German publication, admired it privately, and supported Lobachevsky's election to a Göttingen learned society, but did not issue a public defense of the theory.
Lobachevsky dictated his final systematic treatment in 1855 when blind. Blindness, illness, and the death of his eldest son belong to the evidentially supported hardships of his later life. Sweeping descriptions of absolute destitution and abandonment by everyone do not. Archival work has corrected exaggerated claims about his property, finances, and institutional relations. As in the previous chapter, misfortune does not become more real when every qualification is removed.
5. Published, but not accepted
Complete neglect is the wrong description. Failure to achieve broad acceptance is closer. Lobachevsky's work entered the St Petersburg Academy's review process and received a negative assessment from Ostrogradsky. A magazine mocked it in 1834. The French article was printed in 1837; Gauss noticed the German book; Bolyai's Appendix received a detailed response. These events demonstrate contact, even when the contact was hostile or private.
What was missing was an effective network of citation, teaching, and continuing research. There is little reason to think that an ordinary European mathematics student in the 1830s or 1840s would encounter the new geometry in a standard course. A theory can be physically present in libraries while absent from the practices through which a discipline reproduces its knowledge.
Ferdinand Minding offers a revealing parallel. In the 1830s he studied surfaces of constant negative curvature and obtained formulas corresponding to hyperbolic trigonometry without connecting them to Lobachevsky's geometry. Related mathematics existed in two different settings without the bridge that would make their relationship productive. We cannot establish that neither researcher lacked any relevant material; what we can say is that the connection was not made.
This is the force of the description published but not accepted. Correctness, print, and isolated attention do not automatically produce a change in disciplinary judgment. Someone must connect a theorem to the questions other people are already asking. A mathematical community is not one mind reading all available papers at once. Its channels determine which apparently separate developments become visible to one another.
After Gauss's death in 1855, his private support became more widely known through letters and papers. During the 1860s Jules Hoüel translated, reviewed, corresponded, and connected researchers. His 1866 French translation of Lobachevsky's German book and circulation of relevant Gauss correspondence helped create a readership. Such labor rarely supplies the heroic scene in a history of discovery, but it supplies the route by which a discovery enters other people's work.
By 1870 Weierstrass was leading a Berlin seminar on Lobachevsky's geometry; the young Felix Klein participated. The subject was now something to teach and investigate collectively. In 1871 Klein situated these geometries within projective geometry, developing a metric through a chosen absolute and cross-ratios. Hyperbolic and elliptic geometries, with the Euclidean case appearing through a limiting or degenerate construction, could be understood within a common framework rather than as unrelated rival universes.
During the 1880s Poincaré connected models of hyperbolic geometry with complex function theory and groups. Some analytic forms associated with his name had predecessors in Beltrami's 1868 work. Poincaré's significance is not reduced by that fact: he transformed what these representations could do and where they belonged. A model's historical importance includes its uses, not only the first occasion on which a related formula was written.
Non-Euclidean geometry was consequently no longer an isolated controversy about parallels. It was useful within projective geometry, differential geometry, and complex analysis. The claim that multiple uses free a subject from constantly defending its existence is an interpretation of this reception process, not a theorem with an exact numerical threshold. The historical point is the widening range of work that depended on taking the geometry seriously.
6. What a model does
On June 10, 1854, Riemann delivered his habilitation lecture in Göttingen on the hypotheses underlying geometry. Gauss had selected the topic from the alternatives Riemann submitted. Riemann asked a broader question than which parallel postulate to choose. What is a multiply extended magnitude? How can length be assigned? How may the metric vary from place to place, and what does curvature mean in that setting?
The physical metric of space was not, for him, determined by conceptual analysis alone. His framework made possible a family of geometrical structures rather than just a single alternative to Euclid. The lecture was not published during his lifetime. After his death in 1866 it entered print in the posthumous period, in 1868. That same year Beltrami supplied interpretations that decisively changed the status of non-Euclidean geometry.
The visible part of Beltrami's achievement involved the pseudosphere, a surface of constant negative curvature. Measured intrinsically, suitable portions of it reproduce hyperbolic relations: geodesics play the role of straight lines, and distances, angles, and triangles obey the corresponding formulas. Ordinary three-dimensional geometry could thus host a concrete realization of part of the unfamiliar theory. Beltrami's essay, in Hoüel's contemporary French translation, preserves the original interpretive project.
But the familiar horn-shaped surface is not the entire hyperbolic plane. Its limitations and singular behavior prevent that simple identification. Hilbert later proved that a complete surface of constant negative curvature cannot be regularly isometrically immersed in Euclidean three-space under the theorem's smoothness conditions. This is not a ban on all visual or abstract representations; it concerns a specific kind of smooth realization preserving the metric.
Beltrami's deeper achievement was analytic. On an ordinary domain such as a disk, give a precise interpretation to lines and a new rule for measuring distance. The disk can then represent the complete hyperbolic plane even though its boundary is at infinite hyperbolic distance. Different models choose different Euclidean-looking curves as their hyperbolic straight lines. The change of metric, not the appearance of a drawing by itself, carries the geometry.
This may initially sound like cheating: if one is allowed to redefine a straight line, surely any desired conclusion can be arranged. But after the interpretation is specified, its consequences are not arbitrary. Intersections, distances, angle relations, and areas must actually satisfy the axioms and formulas. The work is to prove that they do. Freedom to propose an interpretation is not freedom to declare every subsequent calculation successful.
The logical conclusion is conditional. If the interpreted hyperbolic geometry led to a contradiction, translating that derivation into the mathematics of the model would produce a contradiction there too. Therefore, if the supporting Euclidean and analytic mathematics is consistent, the represented hyperbolic theory is consistent. This is relative consistency. It does not establish absolute consistency from nowhere, and it does not decide which metric describes physical space.
Beltrami did not formulate his project in the language of twentieth-century formal logic. Calling it a modern metamathematical proof without qualification would be retrospective. His interpretations nevertheless supplied the mathematical structure later expressed in that language. They replaced an endless demand for another contradiction-free calculation with a relation between whole theories. Jeremy Gray's historical analysis stresses how analysis and differential geometry, not foundational debate alone, made this transformation possible.
7. How the two thousand years ended
Models gave a powerful reason why the parallel postulate could not be derived from the remaining appropriate geometrical assumptions. The logic is simple once the terms are in place. Any statement deduced from a collection of premises must hold in every interpretation satisfying those premises. Produce an interpretation in which the premises hold and the proposed conclusion fails, and a derivation of that conclusion from those premises is impossible, assuming the mathematics of the interpretation is consistent.
The hyperbolic model supplies just such an interpretation for a suitable neutral geometrical system. Basic incidence, order, and congruence relations are satisfied, but Euclidean parallel behavior is not. It is therefore a counterexample to a claim about provability. The example is not a crooked line that happens to spoil a drawing. It is an entire structure satisfying the stipulated starting conditions while rejecting the disputed conclusion.
A historical qualification is indispensable. Euclid's five postulates were not by themselves a completely explicit formal system. Much was left unstated about betweenness, continuity, congruence, and the existence of intersections. A fully precise modern independence claim requires a precise formulation of the other axioms. The nineteenth century's final decades, and Hilbert's axiomatization in particular, made those dependencies more explicit.
Subject to that clarification, the long failure to prove the fifth postulate receives a different explanation. It was not simply that generations of geometers had not been clever enough. The target was unattainable from the proposed neutral assumptions. No greater ingenuity could make a valid deduction produce a conclusion that a model of those assumptions falsifies. The history of failed attempts becomes evidence of a mistaken expectation, not a ranking of personal abilities.
Any purported proof must therefore contain a defect: an invalid inference, an unnoticed assumption, or a premise strong enough to import the desired Euclidean property. Many famous attempts did the last of these while believing that they merely stated something obvious about lines or space. We should not claim that every defective argument has precisely the same flaw, but the recurrence of hidden Euclidean assumptions is central to this history.
Saccheri's appeal to the nature of straight lines now looks different. It was not necessary to diagnose an individual failure of courage. An expectation inherited from familiar geometry was doing logical work without being acknowledged as an additional premise. Such expectations are difficult to police precisely because their familiarity makes them appear not to be assumptions at all.
Recall the construction at the beginning of Euclid: two circles are drawn, and their intersection is taken for granted although the stated axioms do not fully justify that existence claim. The diagram seems to make further discussion unnecessary. An intuitive step can be harmless for a particular construction and still conceal what a fully explicit system needs to say. In the parallel problem, comparable intuitions were repeatedly used to close off the alternative under investigation.
The lesson is not that drawings or intuition should be banished. They suggest arguments and make structures intelligible. The lesson concerns their role: an intuition cannot quietly substitute for a missing premise in a proof whose whole purpose is to determine whether that premise is necessary. The model reveals exactly why the unexamined step matters.
8. The burden of proof
The sequence is now visible. Saccheri derived a substantial body of consequences and rejected their hypothesis. Lambert extended the investigation and saw a remarkable analogy without publicly founding a new geometry. Gauss believed an alternative might be coherent but did not publish a persuasive systematic account. Bolyai and Lobachevsky made the subject into something that could be developed in its own right. Models eventually connected it to accepted mathematical frameworks.
The conventional three-discoverer story also suppresses the surrounding layer of work. In the 1820s Ferdinand Karl Schweikart, a professor of law, explored what he called astral geometry and sent his ideas to Gauss through an intermediary. Franz Adolph Taurinus drew on earlier parallel-line literature, corresponded with Gauss, and obtained formulas close to hyperbolic trigonometry. Neither created the same sustained public program as Lobachevsky, but both make the image of three isolated geniuses in a vacuum untenable.
Even a century of results did not settle acceptance by accumulation alone. It would be inaccurate to say that all those researchers were proving consistency: some were looking for contradiction, others calculating or investigating physical space. Yet they shared the difficulty that no finite pile of successful deductions excluded a contradiction elsewhere. The skeptic could always reserve judgment about the next proposition.
The model answered at another level. Instead of merely insisting that no contradiction had appeared, it established a translation into mathematics already in use. If the alternative geometry failed internally, its supporting interpretation would fail with it. The burden was no longer borne by an unfamiliar theory standing alone. Its logical fortunes were tied to a larger body of work.
This did not require the supporting mathematics to be beyond all possible doubt. Relative consistency remains informative even when questions about the background theory persist. Historically, however, acceptance was greatly helped by the fact that the supporting geometry and analysis were widely trusted. The distinction between logical force and persuasive force matters: a relative argument has a definite mathematical content, while its effect on a community depends partly on how that community regards its premises.
Nor was this an evasion of the original question. The possibility of contradiction had not been hidden. It had been transported under an explicit interpretation. If a contradiction existed in the new geometry, the older mathematics would have to share responsibility. Nobody had obtained an unconditional guarantee; the previously unequal standards applied to the two geometries had become harder to defend.
Our earlier discussion of inaccessible quantities considered how mathematics sometimes changes what counts as reaching an object. Here the change concerned who had to provide the next justification. These patterns may suggest analogies outside mathematics, but the analogy should not be promoted into a general law that every unresolved dispute can be settled by association with something already accepted. In this case the connection was a rigorously demonstrated interpretation, not a rhetorical comparison.
The new geometry did not become physically true because a model was found, nor did it become more consistent on the date someone accepted it. What changed was what could be established about its relation to other mathematics. It could be as secure as its supporting theory, or as vulnerable with it. That conditional equality was enough to break open a question that had resisted direct attack for two thousand years. Mathematics continued. The boundaries of what could count as mathematics had moved with it.
一 他证明了它,然后说它是错的
1733年,一位叫萨凯里的意大利耶稣会士出版了一本书,书名的意思是:欧几里得洗清一切瑕疵。
标题已经把他的立场说完了。第三篇讲过,那本几何书开头列了五件不证的事,而第五件长得像一条需要证明的结论。两千年里,大多数人相信它其实可以从前四件推出来,只是还没有人做到。萨凯里要做的就是这件事。
他的办法是反证。假定第五条不成立,一路推下去,推到自相矛盾为止。矛盾一旦出现,就说明那个假定不能成立,于是第五条被迫为真。
他造了一个图形。一条底边,两端各立起一条等长而且与底边垂直的边,再把两个顶端连起来。由前面的命题可以证明顶上那两个角彼此相等。于是只剩三种可能:两个顶角都是直角,都是钝角,或者都是锐角。直角那一种等于回到欧几里得。钝角那一种他比较容易排除掉。真正出事的是锐角那一种。
他往下推,没有撞上矛盾。再往下推,还是没有。推出来的反而是一批结构严整的新命题:三角形的内角和严格小于两个直角。不相交的直线彼此之间的距离行为和欧氏几何完全不同。相似与全等之间的关系整个改变。而且这套性质一旦在一处成立,就会控制整个几何,不是只在某个角落里出个例外。
几十页,几十条命题。用今天的话说,他已经把双曲平面的初等几何做出来了相当大的一块。
具体有多少条,给不出一个数字。哪些中间命题算作后来属于那套几何的定理,取决于怎么拆他的命题链,给出一个精确的数反而是伪精确。可靠的说法是:分量足够写成一门课,而且里面没有双曲三角学的完整系统,更没有模型。然后他在结尾宣布,锐角假设绝对错误。理由是:由它得到的某种直线行为违背直线的本性。这句话是整本书的关键,而且它不是一个矛盾。
前面几十条命题里,没有任何一条和另一条打架。他所谓的矛盾,是把欧氏直线该有的样子重新请了回来,当作判据。
第三篇的结论在这里可以直接用。写出来的那一条会被攻击,没写出来的那些没人看见。萨凯里的整本书都在攻击那条写出来的,而他自己在最后一页,用了一条从来没有写出来的。
后世有一种讲法,说他差一步就发现了非欧几何,可惜临门退缩。这个讲法把他写成了一个懦夫,而且判错了他的处境。
这不是说他胆小。从书名到证明结构,他领的任务就是证明欧几里得没有瑕疵。他手上没有另一种几何可以是合法数学对象这个概念。所以眼前这一整套互不矛盾的命题,在他看来只能是反证还差最后一步,而不是一个新世界已经盖好了。
二 半径为虚数的球
三十多年后,兰伯特走得更远,而且停在了一个完全不同的地方。他那部关于平行线的稿子大约写成于1766年,生前没有发表, 1786年由别人整理刊出。所以谈他的年代,写成和发表要分开。
他用的图形略有不同:一个四边形,三个角是直角,研究第四个角分别是直角,钝角,锐角时会怎样。思路和萨凯里属于同一个传统。
三个直角摆好之后,第四个角只能是三种情形之一。这个装置和萨凯里那个的作用一样:把一个看不见的问题,变成一个可以逐一排查的问题。
而在锐角那一支里,他得到的东西今天一眼就能认出来。
他没有像前一位那样急着排除。三角形的内角和小于两直角。两条有公共垂线的直线会越离越远。一些欧氏圆和多边形的性质不再成立。几何内部自动出现一个固有的长度尺度。其中最要紧的一条是:三角形的面积与角亏成比例。角亏就是两直角减去三个内角之和。这不是一个孤立的漂亮结果。它是后来所谓常负曲率几何最醒目的指纹之一。
然后他写下了那句著名的话。
他注意到,球面上的三角形内角和大于两直角,而面积与角盈相联系。锐角假设下的情形恰好反过来。于是他说,人几乎会被迫得出结论:这第三种假设发生在一个半径为虚数的球上。
这句话不是说他已经有了一个模型。它首先是一个极敏锐的类比:把球面公式里的半径形式上换成虚数,很多符号恰好翻转。
第八篇讲过,负数的平方根在十六世纪是一个没有人承认,又绕不开的中转站。三百年后,它在这里又出现了一次,而且这一次它出现在一个几何句子里:一个球,半径是虚的。
兰伯特写下这句话的时候,复数计算已经有所发展,但其基础和几何解释尚未像后来那样确立。他用的是一个当时同样悬着的东西,去描述另一个悬着的东西。
更重要的是他的结尾。他没有像萨凯里那样宣布这绝对错误。现存的稿子最后仍然在找矛盾,而那一部分没有写完。
所以不该替他补一个他没有给出的判词。能说的只是:他没有公开宣布一种合法的新几何。
还有一个流行说法。萨凯里那本书并没有失传一个半世纪。它确实没有形成连续的阅读传统,也没有留下学派。但1763年克吕格尔在自己的平行线论文里引用过它,而兰伯特读过克吕格尔。一本书的影响可以只走这么一条细线:一个人引了它,另一个人读到了那处引用。
真正的历史性重新定位发生在1889年前后,有人注意到这本书并把它告诉了贝尔特拉米,此后萨凯里才进入非欧几何的标准叙述。留下书目痕迹,和被人当作起点读,是两回事。
这个区别在这一篇里还会再出现一次,而且那一次的后果严重得多。
三 那么新的是什么
这一节是全篇最要紧的地方。
如果发现非欧几何只等于在第五公设的否定之下证出一批正确命题,那么这件事在1733年就已经做了一大半,剩下的在1766年又做了一些。十九世纪增加的是四层别的东西。
第一层是这批命题的身份。萨凯里管锐角假设叫敌对假设,目标是摧毁它。兰伯特仍然把工作放在寻找矛盾的框架里。而后来的人开始说:先别假定它必须死,看看它作为一种几何整体运转起来会怎样。
同样一批命题,一边是等着被处决的证物,一边是一门学问的内容。差别不在纸上写了什么,在写的人打算拿它干什么。这个差别听起来像是态度问题,其实不是。它决定了下一步往哪里走。如果这些命题是证物,那么接下来要做的事情是继续找矛盾,找到为止。每一条新命题都只是又一次没找到。
如果它们是内容,那么接下来要做的事情完全不同:把它们排好,补齐,找出哪些是基本的,哪些是推出来的,再看这套东西能不能拿来算别的。同一批纸,两种下一步。
而萨凯里和兰伯特已经把纸写满了。
第二层是系统化的程度。萨凯里有大量初等命题,兰伯特有面积与角亏那个深刻的洞见,但都没有形成一套可以反复使用的计算理论。后来的人建立了平行角,距离和三角函数之间的完整关系,把平面的结果推到空间,并且说明欧氏几何怎样作为一种极限或者特例出现。
有了这一层,新几何不再是反证过程中冒出来的一串怪结论,而成了一套可以像球面三角学那样天天拿来算的东西。
这一层还有一个副产品。一套能算的东西可以自我检验:从不同的路算同一个量,结果对不上就说明哪里错了。而反证过程中形成的命题虽已有逻辑联系,却还没有构成同样完整而便于反复使用的计算系统。
第三层是立场。这几个人的目标其实不一样。有人关心几何能不能完全先验地奠定,也就是说,人能不能光靠想就断定空间必须是哪一种。有人想把不依赖平行公设的那一部分单独分离出来,做成一门更基础的学问,让欧氏和非欧氏成为它的两个分叉。还有人干脆把它当作一种可以继续推导,继续计算的想象几何,先算了再说。但他们都越过了同一条线,不再是为了推翻它才假设它。
第四层最后才出现,也最决定性:模型。
即使把彼此协调的公式证出几百条,怀疑的人仍然可以回一句:矛盾也许在第几百零一条。这句话没法用更多定理来反驳,因为再多也还是有限多条。模型改变的是这个问题本身。而那要等到1868年。
所以后来新的东西,主要不是更多定理,是这批定理是什么的答案。
四 三条路
习惯上会把高斯,波约伊,罗巴切夫斯基并列成三位同时独立的发现者。这个说法便于纪念,不利于理解。高斯的材料要分两层看。
他晚年反复说自己想这件事已经有三十年,三十五年,将近四十年, 1846年甚至说类似的信念已有五十四年。按这些数字往回推,起点会落到1790年代他少年的时候。
这些回忆本身是真材料,信是他写的,日期是确定的。问题在于它们是回忆,不是当年的记录。一个人说自己三十年前就想到了某件事,这句话证明他在说这话的时候这样相信,不证明三十年前的那一天他手上有什么。
问题是可以定年的手稿远没有这些回忆暗示的那么完整。他1796年到1814年的数学日记极其重要,里面却没有一条足以证明少年高斯已经拥有后来意义上的整套双曲几何。反倒是1828年到1832年之间,出现了一批可以可靠定年的平行线与几何基础笔记。
比较稳妥的时间线是这样。1790年代末他已经与老波约伊讨论几何基础。
这个人后面还要出场,而且是以父亲的身份。1816年前后的通信里,欧氏几何的反面,一个未知的常数,超越三角学这些想法已经在他身边出现。1819年他回复一份辗转送来的星际几何材料时,明确说只要给定那个常数,他能够处理这种几何。
到1824年十一月八日写给陶里努斯的那封信,材料已经非常清楚。他说,假设三角形内角和小于两直角会导向一种特别的几何。这套几何的许多结果看起来悖谬,但到目前为止,其中没有发现任何不可能。它带着一个特征尺度,三角形的面积与角亏相联系。
1829年一月二十七日写给贝塞尔的那封信把问题提高了一层。他说自己越来越坚定地认为,几何不能完全先验地建立。自己在这些问题上已有广泛研究,但未必会在生前整理发表。紧接着就是那句最有名的话:他怕贝奥提亚人的叫嚷。
贝奥提亚是古希腊的一个地名,在雅典人的刻板嘲讽里,贝奥提亚人指迟钝,粗鄙,不解风雅的人。这句话是真的,出处很硬,就在那封信里。
但它解释不了全部。数学史家格雷提出过一条重要的修正:高斯可以精确定年的早期材料,远比后人替他重建出来的那套完整理论要薄。1828年和1831年他还在写新的基础笔记,这更像持续研究,而不是把一部1790年代就写完的书压在抽屉里。
所以最稳的说法是:怕叫嚷不是传说,是高斯自己给的解释之一。而拿它当唯一原因,再用它去填补高斯没有留下来的全部数学内容,是后来的英雄化。另一条路上有一对父子。
1820年四月四日,老波约伊给在维也纳的儿子写了一封信。他自己年轻时在平行线上消耗过大量精力,也与高斯讨论过。他写的不是父亲式的泛泛劝阻,是一句非常具体的创伤警告:不要沿这条路去追平行线,这是一片无底的黑夜,会吞掉你的时间,健康和生活。
写这封信的人知道自己在说什么。他年轻时在同一条路上耗掉过很多年,而且他和高斯讨论过这件事,知道连高斯也没有把它解决掉。三年后事情反了过来。1823年十一月三日,儿子写信给父亲,说自己已经从无中创造了一个奇异的新世界。
那篇东西后来作为附录,附在父亲一部两卷本著作的后面。全名的意思大致是:呈现绝对真实的空间科学的附录。篇幅二十几页,极度压缩,里面塞进了平行角,双曲三角学,以及空间中的结果。
他真正的新意之一,是把问题从第五公设是真是假,改造成:哪些几何事实根本不需要第五公设,而剩下的分叉在哪里。
1831年六月二十日,父亲寄了一份给高斯,那一份没有到。第二份在1832年一月抵达。1832年三月六日高斯回信。
回信里最有名的一段大意是:你如果从我口中听到我不能称赞你儿子的工作,也许会吃惊。但称赞它几乎等于称赞我自己,因为这篇东西的内容,所走的道路和所得的结果,与我三十到三十五年来自己的思考几乎完全一致。
这封信本身是硬材料。但它只能证明高斯在1832年作了这个优先权声明,不能单靠它证明1797年的高斯已经拥有附录里的全部内容。
儿子后来的反应有真材料,而流行版本往往过度戏剧化。这封信加剧了父子之间的疏离,也让他觉得继续发表没有意义。但他并没有从此停下: 1848年读到罗巴切夫斯基的书之后,他又写了大量批判和比较的笔记,一度还怀疑高斯和罗巴切夫斯基之间有某种关系。现存的遗稿极多。
所以高斯一封信毁掉了一个天才,这句话事实上不成立。发生的是:他的公开发表生涯几乎在附录处中止,而此后他仍然在写。至于他读完信当场做了什么,说了什么,找不到可以追源的材料。后世那些生动的场面,来源都是后世。
第三条路上的人发表得最多,也最公开。
罗巴切夫斯基的第一阶段是1829年到1830年,在喀山。他把一篇论几何学原理分成五期,刊在喀山大学的一份地方刊物上。这是最早正式印刷的非欧几何系统论述。再往前, 1826年二月十一日他已经在喀山大学宣读过新几何并交付评审,但那份原稿后来遗失了。
这个发表渠道是真正的瓶颈。地方大学刊物,俄文,流通量很有限,在俄国国内也不大。所谓西欧没人知道,不是因为邮件要走十年,是语言,交换网络,期刊声望和共同体渠道的问题。
第二阶段是1837年,他用法文在柏林一份重要的研究期刊上发表。那份期刊刊过阿贝尔的工作,法文又是当时的跨国科学语言。
第十篇讲过阿贝尔那本自费印的小册子。同一份期刊后来刊出了他更完整的版本,也刊出了这一篇。所以1837年以后,再说他的工作在物理上进不了西欧,就不成立了。
第三阶段是1840年在柏林出版的德文小册子,六十来页,是他最清楚也最便于传播的一版。高斯实际读到并认真评价的,就是这一本。
高斯很欣赏它,在私人通信里称赞它有真正的几何精神,还提名他进入哥廷根的一个学术团体。但私下赞赏和公开倡议是两回事:他没有发表过替罗巴切夫斯基辩护的文章。
1855年,他在完全失明的状态下口授了自己最后一次系统总结。这件事的证据比许多悲惨晚年的故事都好。而他在赤贫中被所有人抛弃,没有材料。
现代的档案研究已经纠正了若干关于他产业,财务和校方态度的夸张说法。失明,疾病和长子去世是真的。被所有人抛弃不是。
五 发表了,而没有被接受
完全无人理睬是错的。没有形成广泛接受是对的。
罗巴切夫斯基早期的稿件进过彼得堡科学院的评审渠道。审它的是那里最有名的数学家奥斯特罗格拉茨基,意见是否定的,科学院没有刊印。1834年,彼得堡的一份杂志又印出一篇文章来嘲笑它。被否定本身就说明有人看了。1837年他在柏林的期刊上发表。1840年的德文小册子出来,高斯很快注意到并提名了他。波约伊的附录至少有高斯读到并详细回复。
与此同时,引用网络,教材网络和教学网络几乎是空的。十九世纪三四十年代,找不到证据表明一个普通的欧洲数学学生会在标准课程里接触到这套几何。
最能说明问题的是一个巧合。十九世纪三十年代,明丁研究常负曲率的旋转曲面,甚至得到了与双曲三角学相对应的公式。他没有把它和罗巴切夫斯基联系起来。同一批公式,两个人分别得到,而两张知识网络没有接上。
这件事值得多看一眼。明丁不是一个边缘人物,他研究的曲面理论也不是冷门。他手上有那些公式,而罗巴切夫斯基早在几年前就把同样的关系印了出来。现有叙述不足以断定两边读过哪些相关材料,可以确认的是两条研究路径当时没有有效连接起来。一个理论要被接受,光是正确不够,光是发表了也不够。它还需要有人在两个原本不相干的地方之间走一趟。
格雷用一个说法概括这一段:发表了,而没有被接受。有出版物,有个别人接触,但没有形成一个能够改变学科判断的有效网络。
转折从1855年高斯去世之后开始。他生前对这种几何的私人支持,从通信和遗稿里逐渐被人看见。1860年代,法国的乌埃尔承担了翻译,评论和联络的角色, 1866年出版了罗巴切夫斯基德文书的法译本,并传播高斯的相关通信。他那一大批通信,今天被当作重建这段接受史的关键材料。
乌埃尔做的事情说起来一点也不光彩夺目:翻译,写评论,写信,把甲的东西寄给乙,再把乙的回音转给丙。
但如果没有他这一层,前面几十年的情况会继续下去:东西印出来了,摆在那里,而该读到它的人不知道它存在。
到1870年,魏尔斯特拉斯在柏林主持过一个讨论罗巴切夫斯基几何的研讨班,年轻的克莱因参加了。到这一步,它已经是可教,可研究的东西了。而那位年轻人第二年就做了一件更远的事。
1871年,克莱因把这几种几何一起放进了射影几何的框架:选定一条二次曲线作为基准,用交比来定义距离,于是欧氏几何,双曲几何和另一种几何成了同一个结构在不同基准下的不同度量版本。
这又一次强化了同一个思路。它们不再像彼此敌对的宇宙,而是同一样东西的几种读法,彼此之间有精确的翻译关系。
再往后,庞加莱在十九世纪八十年代把另一类模型接进了复变函数和群的理论。教科书里常把那些模型记在庞加莱名下,可它们不是他第一次造出来的,贝尔特拉米1868年的工作里已经有等价的解析形式。庞加莱改变的是它们的用途和位置。到这一步,非欧几何已经不是一门古怪的平行线理论,而是射影几何,微分几何和复分析共同使用的东西。
一样东西一旦在三个不同的地方都有用,就不再需要为自己的存在辩护了。
六 模型
1854年六月十日,黎曼在哥廷根作就职演讲,题目是论作为几何基础的假设。按程序他预先提交几个题目,由高斯选中了这一个。
他问的不是平行线。他问得更高一层:一个多重延展的量该怎样定义。怎样在它上面规定长度。度量如何随位置变化。曲率应该怎样理解。而物理空间究竟属于哪一种度量结构,不能只靠概念分析决定。
这是框架,不是同义词。前面几个人给出的是一种具体的替代几何,而黎曼把不同的几何提升成一个一般的度量结构家族。这篇演讲1854年讲完之后,生前没有作为正式论文刊出。他1866年去世,遗稿由戴德金等人整理, 1868年前后正式进入公共文献。同一年,贝尔特拉米做了那件决定性的事。
他做的事情可以用一句很谨慎的话说完:他把非欧几何里的对象和关系,解释成已经被接受的欧氏几何里的对象和关系。
最直观的一部分是一个叫伪球面的曲面。它的曲率处处为负而且是常数。在这个曲面自身内部量距离,沿着它上面最短的那些路径走,一部分非欧平面几何会真实出现:所谓的直线由曲面上的测地线扮演,角,距离和三角形关系都呈现出双曲的形式。
于是过去看起来像纯符号怪物的那些公式,现在在普通的三维空间里找到了一种具体的解释。
但伪球面本身不等于完整的双曲平面。它有边界,有奇异的地方,没法把整个无限的双曲平面完好地铺进三维空间。把贝尔特拉米的工作简化成一只号角形的曲面,会低估他真正做的事。
这一点后来被证实得更彻底。二十世纪初有人证明,一张完整的常负曲率曲面根本不可能规规矩矩地嵌进普通的三维空间里去。也就是说,想靠一个实物看见整个双曲平面,这条路本身走不通。
所以他真正的工作不在那只曲面上。
他更深的贡献是解析的模型。在一个普通的圆盘上,重新规定哪些曲线算直线,重新规定怎样量距离,就可以让非欧几何的全部关系成立。
这句话读起来像是作弊:你说什么算直线就什么算直线。
但规定完之后,剩下的事情就不由他做主了。那些被指定为直线的曲线彼此相交,围成的图形有确定的角和面积,这些关系是算出来的,不是定出来的。而算出来的结果,恰好就是非欧几何里那一套。
可以自由规定的只有开头那一句。开头之后的每一步都受制于普通的欧氏几何。
这件事的逻辑意义和大多数人的第一反应不一样。它不是说:既然伪球面看得见,真实的空间就是非欧的。
它说的是:假如非欧几何能推出一个矛盾,那么把这个推导逐句翻译成圆盘上的说法,就会在普通的欧氏几何里推出一个对应的矛盾。
所以,只要承载模型的那套普通数学是自洽的,被解释的这套非欧几何也自洽。
这叫相对的一致。它没有提供绝对的一致,因为模型本身站在另一套数学上。更没有证明现实空间采用哪一种几何。而它对这段历史的作用,是把举证责任整个掉了个头。
在此之前,非欧几何这一边要不停地证明:你看,又一条命题,还是没有矛盾。这件事永远做不完,因为怀疑者永远可以等下一条。在此之后,怀疑的那一边得先回答:那么请你说明,为什么承载它的那套普通数学不会同时矛盾。这不是多了一条定理。这是换了一个谁需要开口的问题。
贝尔特拉米本人1868年并不是用二十世纪那套形式逻辑的语言来陈述目标的。把他的论文说成一篇现代的一致性证明,属于事后重构。他做到的是:他的解释事实上提供了后来被认识为相对一致性的那个数学结构。
七 那两千年是怎么结束的
有了模型,第五公设的独立性才第一次获得一个真正有力的理由。
独立这个词在这里的意思很具体。如果第五公设真的能从其余那几条推出来,那么凡是满足其余那几条的解释,第五公设都得在里面成立。而贝尔特拉米给出了一个解释:其余那些基本关系在里面都成立,而平行线的行为是双曲的。
换句话说,他造出了一个反例。不是一个几何上的反例,是一个关于证明可能性的反例:这里有一个满足全部前提而结论不成立的情形,所以那个结论推不出来。
于是第五公设不可能只靠那几条推出来。
不过这句话要附一个条件,而这个条件正是第三篇处理过的那件事。欧几里得原来那五条并不是一个完备明确的形式系统。关于次序,连续,全等,交点存在性的大量假设,他从来没有明说。所以要把独立性说得像今天这样严格,还要等到十九世纪末有人把整个体系重新公理化。
现在可以回答那个两千年的问题了:为什么那么多人证不出来。不是大家一直不够聪明。是那个目标本身不可达。
这两句话的分量差得很远。前一句是在说一群人的能力,后一句是在说一件事情的性质。而两千年里,所有人默认的都是前一句。
一个命题如果独立于其余的前提,那么从那些前提出发就永远推不出它。任何一个声称成功的证明,都必定含有推理错误、未明说的前提,或在某一步重新引入了足以推出第五公设的东西。
所以回过头看萨凯里最后那句违背直线的本性,就特别清楚了。
那不是一次个人的软弱。那是几百年里所有失败证明共同的形状:在关键的那一步,把一个从来没有写出来的欧氏直觉,换一个名字重新请了回来。而每一次请回来的时候,请的人都觉得自己只是在说一件显然的事。
这是这件事最难防的地方。一个前提之所以没有被写出来,通常正是因为它看起来不需要写。而看起来不需要写的东西,用起来也不会引起警觉。
第三篇里那个例子可以放在这里看。全书第一题就要取两个圆的交点,而没有任何一条许可说这两个圆一定相交。两千年里没有人跟它吵过架,因为画出来就看见了。
萨凯里最后那一步用的是同一种东西,只是这一次它被用来关掉一扇门。两千年里,那一步一直在被走过,而且每一次都被当成不值一提的一步。
八 举证责任
这一篇里的人做的事情,可以排成一个很清楚的次序。
萨凯里证明了一大批命题,然后拒绝承认它们。兰伯特证明了更多,并且看见了一个惊人的类比,但没有下判词。高斯相信这种几何可能无矛盾,而没有拿出一个足以说服别人的体系。波约伊和罗巴切夫斯基第一次把它写成一门可以独立运转的学问。中间还有一层人,习惯上会被这个三人框架整个擦掉。
十九世纪二十年代,施魏卡特和陶里努斯已经在做相近的事。施魏卡特是法学教授,他把自己设想的那种几何叫作星际几何,通过中间人送到高斯手里。陶里努斯从更早的平行线文献起步,又与高斯通信,写出的公式已经很接近双曲三角学。
他们两个都没有像后来那样,建立一个公开而持续的新几何项目。但他们证明了一件事:这不是三个天才各自在真空里想出来的东西,而是一层连续的人里冒出来的几个头。
而这四步加在一起,仍然不足以让数学界接受它。
四个人,一百年,几百条命题,还不够。
这些工作的目标并不相同,但仅凭不断得到协调的命题,都还不足以保证永远不会遇到矛盾。而这件事做不完。每多证一条,怀疑者就等下一条。真正结束这件事的不是第几百零一条命题。是有人不再回答那个问题,换了另一个问题。不问它有没有矛盾,问它和已经被接受的东西之间有没有翻译关系。翻译关系一旦建立,原来那个问题就变成了别人的问题。
这一步之所以能成立,前提是有另一样东西可以接。如果当时的欧氏几何和解析方法本身也在风雨飘摇,接上去也没有用。
所以这不是一个随时可用的办法。它在逻辑上需要一个承载模型的理论,而在当时的接受史上,这个理论受到广泛信任尤其重要。这也不是一次取巧。
模型没有回避那个问题。它把那个问题原封不动地搬到了另一个地方。如果非欧几何真有矛盾,那个矛盾会原样出现在普通的欧氏几何里。谁也没有少承担什么。变的只是:现在承担它的是一套已经被使用了两千年,谁也不打算怀疑的东西。
第二篇的结尾说过,够不着一样东西的时候,可以改掉够着的标准。这一篇是同一个动作的另一种形态,而且这一次改掉的不是标准,是谁需要举证。这两件事都值得记住,因为它们不只发生在数学里。
一个长期无法被证明也无法被推翻的主张,通常不会因为再多一条证据而结束。它结束的方式,往往是有人把它接到另一样已经被接受的东西上去,于是问题换了主人。
而接上去之后,它并没有变得更真。它只是变得和别的东西一样真,或者一样不真。
数还在往下算,而什么算数学,还没有算清楚过。
一 他證明了它,然後說它是錯的
1733年,一位叫薩凱里的意大利耶穌會士出版了一本書,書名的意思是:歐幾里得洗清一切瑕疵。
標題已經把他的立場說完了。第三篇講過,那本幾何書開頭列了五件不證的事,而第五件長得像一條需要證明的結論。兩千年裡,大多數人相信它其實可以從前四件推出來,只是還沒有人做到。薩凱里要做的就是這件事。
他的辦法是反證。假定第五條不成立,一路推下去,推到自相矛盾為止。矛盾一旦出現,就說明那個假定不能成立,於是第五條被迫為真。
他造了一個圖形。一條底邊,兩端各立起一條等長而且與底邊垂直的邊,再把兩個頂端連起來。由前面的命題可以證明頂上那兩個角彼此相等。於是只剩三種可能:兩個頂角都是直角,都是鈍角,或者都是銳角。直角那一種等於回到歐幾里得。鈍角那一種他比較容易排除掉。真正出事的是銳角那一種。
他往下推,沒有撞上矛盾。再往下推,還是沒有。推出來的反而是一批結構嚴整的新命題:三角形的內角和嚴格小於兩個直角。不相交的直線彼此之間的距離行為和歐氏幾何完全不同。相似與全等之間的關係整個改變。而且這套性質一旦在一處成立,就會控制整個幾何,不是只在某個角落里出個例外。
幾十頁,幾十條命題。用今天的話說,他已經把雙曲平面的初等幾何做出來了相當大的一塊。
具體有多少條,給不出一個數字。哪些中間命題算作後來屬於那套幾何的定理,取決於怎麼拆他的命題鏈,給出一個精確的數反而是偽精確。可靠的說法是:分量足夠寫成一門課,而且裡面沒有雙曲三角學的完整系統,更沒有模型。然後他在結尾宣佈,銳角假設絕對錯誤。理由是:由它得到的某種直線行為違背直線的本性。這句話是整本書的關鍵,而且它不是一個矛盾。
前面幾十條命題里,沒有任何一條和另一條打架。他所謂的矛盾,是把歐氏直線該有的樣子重新請了回來,當作判據。
第三篇的結論在這裡可以直接用。寫出來的那一條會被攻擊,沒寫出來的那些沒人看見。薩凱里的整本書都在攻擊那條寫出來的,而他自己在最後一頁,用了一條從來沒有寫出來的。
後世有一種講法,說他差一步就發現了非歐幾何,可惜臨門退縮。這個講法把他寫成了一個懦夫,而且判錯了他的處境。
這不是說他膽小。從書名到證明結構,他領的任務就是證明歐幾里得沒有瑕疵。他手上沒有另一種幾何可以是合法數學對象這個概念。所以眼前這一整套互不矛盾的命題,在他看來只能是反證還差最後一步,而不是一個新世界已經蓋好了。
二 半徑為虛數的球
三十多年後,蘭伯特走得更遠,而且停在了一個完全不同的地方。他那部關於平行線的稿子大約寫成於1766年,生前沒有發表, 1786年由別人整理刊出。所以談他的年代,寫成和發表要分開。
他用的圖形略有不同:一個四邊形,三個角是直角,研究第四個角分別是直角,鈍角,銳角時會怎樣。思路和薩凱里屬於同一個傳統。
三個直角擺好之後,第四個角只能是三種情形之一。這個裝置和薩凱里那個的作用一樣:把一個看不見的問題,變成一個可以逐一排查的問題。
而在銳角那一支里,他得到的東西今天一眼就能認出來。
他沒有像前一位那樣急著排除。三角形的內角和小於兩直角。兩條有公共垂線的直線會越離越遠。一些歐氏圓和多邊形的性質不再成立。幾何內部自動出現一個固有的長度尺度。其中最要緊的一條是:三角形的面積與角虧成比例。角虧就是兩直角減去三個內角之和。這不是一個孤立的漂亮結果。它是後來所謂常負曲率幾何最醒目的指紋之一。
然後他寫下了那句著名的話。
他注意到,球面上的三角形內角和大於兩直角,而面積與角盈相聯繫。銳角假設下的情形恰好反過來。於是他說,人幾乎會被迫得出結論:這第三種假設發生在一個半徑為虛數的球上。
這句話不是說他已經有了一個模型。它首先是一個極敏銳的類比:把球面公式裡的半徑形式上換成虛數,很多符號恰好翻轉。
第八篇講過,負數的平方根在十六世紀是一個沒有人承認,又繞不開的中轉站。三百年後,它在這裡又出現了一次,而且這一次它出現在一個幾何句子裡:一個球,半徑是虛的。
蘭伯特寫下這句話的時候,複數計算已經有所發展,但其基礎和幾何解釋尚未像後來那樣確立。他用的是一個當時同樣懸著的東西,去描述另一個懸著的東西。
更重要的是他的結尾。他沒有像薩凱里那樣宣佈這絕對錯誤。現存的稿子最後仍然在找矛盾,而那一部分沒有寫完。
所以不該替他補一個他沒有給出的判詞。能說的只是:他沒有公開宣佈一種合法的新幾何。
還有一個流行說法。薩凱里那本書並沒有失傳一個半世紀。它確實沒有形成連續的閱讀傳統,也沒有留下學派。但1763年克呂格爾在自己的平行線論文裡引用過它,而蘭伯特讀過克呂格爾。一本書的影響可以只走這麼一條細線:一個人引了它,另一個人讀到了那處引用。
真正的歷史性重新定位發生在1889年前後,有人注意到這本書並把它告訴了貝爾特拉米,此後薩凱里才進入非歐幾何的標準敘述。留下書目痕跡,和被人當作起點讀,是兩回事。
這個區別在這一篇裡還會再出現一次,而且那一次的後果嚴重得多。
三 那麼新的是什麼
這一節是全篇最要緊的地方。
如果發現非歐幾何只等於在第五公設的否定之下證出一批正確命題,那麼這件事在1733年就已經做了一大半,剩下的在1766年又做了一些。十九世紀增加的是四層別的東西。
第一層是這批命題的身份。薩凱里管銳角假設叫敵對假設,目標是摧毀它。蘭伯特仍然把工作放在尋找矛盾的框架里。而後來的人開始說:先別假定它必須死,看看它作為一種幾何整體運轉起來會怎樣。
同樣一批命題,一邊是等著被處決的證物,一邊是一門學問的內容。差別不在紙上寫了什麼,在寫的人打算拿它幹什麼。這個差別聽起來像是態度問題,其實不是。它決定了下一步往哪裡走。如果這些命題是證物,那麼接下來要做的事情是繼續找矛盾,找到為止。每一條新命題都只是又一次沒找到。
如果它們是內容,那麼接下來要做的事情完全不同:把它們排好,補齊,找出哪些是基本的,哪些是推出來的,再看這套東西能不能拿來算別的。同一批紙,兩種下一步。
而薩凱里和蘭伯特已經把紙寫滿了。
第二層是系統化的程度。薩凱里有大量初等命題,蘭伯特有面積與角虧那個深刻的洞見,但都沒有形成一套可以反復使用的計算理論。後來的人建立了平行角,距離和三角函數之間的完整關係,把平面的結果推到空間,並且說明歐氏幾何怎樣作為一種極限或者特例出現。
有了這一層,新幾何不再是反證過程中冒出來的一串怪結論,而成了一套可以像球面三角學那樣天天拿來算的東西。
這一層還有一個副產品。一套能算的東西可以自我檢驗:從不同的路算同一個量,結果對不上就說明哪裡錯了。而反證過程中形成的命題雖已有邏輯聯繫,卻還沒有構成同樣完整而便於反復使用的計算系統。
第三層是立場。這幾個人的目標其實不一樣。有人關心幾何能不能完全先驗地奠定,也就是說,人能不能光靠想就斷定空間必須是哪一種。有人想把不依賴平行公設的那一部分單獨分離出來,做成一門更基礎的學問,讓歐氏和非歐氏成為它的兩個分叉。還有人乾脆把它當作一種可以繼續推導,繼續計算的想象幾何,先算了再說。但他們都越過了同一條線,不再是為了推翻它才假設它。
第四層最後才出現,也最決定性:模型。
即使把彼此協調的公式證出幾百條,懷疑的人仍然可以回一句:矛盾也許在第幾百零一條。這句話沒法用更多定理來反駁,因為再多也還是有限多條。模型改變的是這個問題本身。而那要等到1868年。
所以後來新的東西,主要不是更多定理,是這批定理是什麼的答案。
四 三條路
習慣上會把高斯,波約伊,羅巴切夫斯基並列成三位同時獨立的發現者。這個說法便於紀念,不利於理解。高斯的材料要分兩層看。
他晚年反復說自己想這件事已經有三十年,三十五年,將近四十年, 1846年甚至說類似的信念已有五十四年。按這些數字往回推,起點會落到1790年代他少年的時候。
這些回憶本身是真材料,信是他寫的,日期是確定的。問題在於它們是回憶,不是當年的記錄。一個人說自己三十年前就想到了某件事,這句話證明他在說這話的時候這樣相信,不證明三十年前的那一天他手上有什麼。
問題是可以定年的手稿遠沒有這些回憶暗示的那麼完整。他1796年到1814年的數學日記極其重要,裡面卻沒有一條足以證明少年高斯已經擁有後來意義上的整套雙曲幾何。反倒是1828年到1832年之間,出現了一批可以可靠定年的平行線與幾何基礎筆記。
比較穩妥的時間線是這樣。1790年代末他已經與老波約伊討論幾何基礎。
這個人後面還要出場,而且是以父親的身份。1816年前後的通信裡,歐氏幾何的反面,一個未知的常數,超越三角學這些想法已經在他身邊出現。1819年他回復一份輾轉送來的星際幾何材料時,明確說只要給定那個常數,他能夠處理這種幾何。
到1824年十一月八日寫給陶里努斯的那封信,材料已經非常清楚。他說,假設三角形內角和小於兩直角會導向一種特別的幾何。這套幾何的許多結果看起來悖謬,但到目前為止,其中沒有發現任何不可能。它帶著一個特徵尺度,三角形的面積與角虧相聯繫。
1829年一月二十七日寫給貝塞爾的那封信把問題提高了一層。他說自己越來越堅定地認為,幾何不能完全先驗地建立。自己在這些問題上已有廣泛研究,但未必會在生前整理髮表。緊接著就是那句最有名的話:他怕貝奧提亞人的叫嚷。
貝奧提亞是古希臘的一個地名,在雅典人的刻板嘲諷里,貝奧提亞人指遲鈍,粗鄙,不解風雅的人。這句話是真的,出處很硬,就在那封信裡。
但它解釋不了全部。數學史家格雷提出過一條重要的修正:高斯可以精確定年的早期材料,遠比後人替他重建出來的那套完整理論要薄。1828年和1831年他還在寫新的基礎筆記,這更像持續研究,而不是把一部1790年代就寫完的書壓在抽屜裡。
所以最穩的說法是:怕叫嚷不是傳說,是高斯自己給的解釋之一。而拿它當唯一原因,再用它去填補高斯沒有留下來的全部數學內容,是後來的英雄化。另一條路上有一對父子。
1820年四月四日,老波約伊給在維也納的兒子寫了一封信。他自己年輕時在平行線上消耗過大量精力,也與高斯討論過。他寫的不是父親式的泛泛勸阻,是一句非常具體的創傷警告:不要沿這條路去追平行線,這是一片無底的黑夜,會吞掉你的時間,健康和生活。
寫這封信的人知道自己在說什麼。他年輕時在同一條路上耗掉過很多年,而且他和高斯討論過這件事,知道連高斯也沒有把它解決掉。三年後事情反了過來。1823年十一月三日,兒子寫信給父親,說自己已經從無中創造了一個奇異的新世界。
那篇東西後來作為附錄,附在父親一部兩卷本著作的後面。全名的意思大致是:呈現絕對真實的空間科學的附錄。篇幅二十幾頁,極度壓縮,裡面塞進了平行角,雙曲三角學,以及空間中的結果。
他真正的新意之一,是把問題從第五公設是真是假,改造成:哪些幾何事實根本不需要第五公設,而剩下的分叉在哪裡。
1831年六月二十日,父親寄了一份給高斯,那一份沒有到。第二份在1832年一月抵達。1832年三月六日高斯回信。
回信裡最有名的一段大意是:你如果從我口中聽到我不能稱贊你兒子的工作,也許會吃驚。但稱贊它幾乎等於稱贊我自己,因為這篇東西的內容,所走的道路和所得的結果,與我三十到三十五年來自己的思考幾乎完全一致。
這封信本身是硬材料。但它只能證明高斯在1832年作了這個優先權聲明,不能單靠它證明1797年的高斯已經擁有附錄里的全部內容。
兒子後來的反應有真材料,而流行版本往往過度戲劇化。這封信加劇了父子之間的疏離,也讓他覺得繼續發表沒有意義。但他並沒有從此停下: 1848年讀到羅巴切夫斯基的書之後,他又寫了大量批判和比較的筆記,一度還懷疑高斯和羅巴切夫斯基之間有某種關係。現存的遺稿極多。
所以高斯一封信毀掉了一個天才,這句話事實上不成立。發生的是:他的公開發表生涯幾乎在附錄處中止,而此後他仍然在寫。至於他讀完信當場做了什麼,說了什麼,找不到可以追源的材料。後世那些生動的場面,來源都是後世。
第三條路上的人發表得最多,也最公開。
羅巴切夫斯基的第一階段是1829年到1830年,在喀山。他把一篇論幾何學原理分成五期,刊在喀山大學的一份地方刊物上。這是最早正式印刷的非歐幾何系統論述。再往前, 1826年二月十一日他已經在喀山大學宣讀過新幾何並交付評審,但那份原稿後來遺失了。
這個發表渠道是真正的瓶頸。地方大學刊物,俄文,流通量很有限,在俄國國內也不大。所謂西歐沒人知道,不是因為郵件要走十年,是語言,交換網絡,期刊聲望和共同體渠道的問題。
第二階段是1837年,他用法文在柏林一份重要的研究期刊上發表。那份期刊刊過阿貝爾的工作,法文又是當時的跨國科學語言。
第十篇講過阿貝爾那本自費印的小冊子。同一份期刊後來刊出了他更完整的版本,也刊出了這一篇。所以1837年以後,再說他的工作在物理上進不了西歐,就不成立了。
第三階段是1840年在柏林出版的德文小冊子,六十來頁,是他最清楚也最便於傳播的一版。高斯實際讀到並認真評價的,就是這一本。
高斯很欣賞它,在私人通信裡稱贊它有真正的幾何精神,還提名他進入哥廷根的一個學術團體。但私下贊賞和公開倡議是兩回事:他沒有發表過替羅巴切夫斯基辯護的文章。
1855年,他在完全失明的狀態下口授了自己最後一次系統總結。這件事的證據比許多悲慘晚年的故事都好。而他在赤貧中被所有人拋棄,沒有材料。
現代的檔案研究已經糾正了若干關於他產業,財務和校方態度的誇張說法。失明,疾病和長子去世是真的。被所有人拋棄不是。
五 發表了,而沒有被接受
完全無人理睬是錯的。沒有形成廣泛接受是對的。
羅巴切夫斯基早期的稿件進過彼得堡科學院的評審渠道。審它的是那裡最有名的數學家奧斯特羅格拉茨基,意見是否定的,科學院沒有刊印。1834年,彼得堡的一份雜誌又印出一篇文章來嘲笑它。被否定本身就說明有人看了。1837年他在柏林的期刊上發表。1840年的德文小冊子出來,高斯很快注意到並提名了他。波約伊的附錄至少有高斯讀到並詳細回復。
與此同時,引用網絡,教材網絡和教學網絡幾乎是空的。十九世紀三四十年代,找不到證據表明一個普通的歐洲數學學生會在標準課程裡接觸到這套幾何。
最能說明問題的是一個巧合。十九世紀三十年代,明丁研究常負曲率的旋轉曲面,甚至得到了與雙曲三角學相對應的公式。他沒有把它和羅巴切夫斯基聯繫起來。同一批公式,兩個人分別得到,而兩張知識網絡沒有接上。
這件事值得多看一眼。明丁不是一個邊緣人物,他研究的曲面理論也不是冷門。他手上有那些公式,而羅巴切夫斯基早在幾年前就把同樣的關係印了出來。現有敘述不足以斷定兩邊讀過哪些相關材料,可以確認的是兩條研究路徑當時沒有有效連接起來。一個理論要被接受,光是正確不夠,光是發表了也不夠。它還需要有人在兩個原本不相干的地方之間走一趟。
格雷用一個說法概括這一段:發表了,而沒有被接受。有出版物,有個別人接觸,但沒有形成一個能夠改變學科判斷的有效網絡。
轉折從1855年高斯去世之後開始。他生前對這種幾何的私人支持,從通信和遺稿里逐漸被人看見。1860年代,法國的烏埃爾承擔了翻譯,評論和聯絡的角色, 1866年出版了羅巴切夫斯基德文書的法譯本,並傳播高斯的相關通信。他那一大批通信,今天被當作重建這段接受史的關鍵材料。
烏埃爾做的事情說起來一點也不光彩奪目:翻譯,寫評論,寫信,把甲的東西寄給乙,再把乙的回音轉給丙。
但如果沒有他這一層,前面幾十年的情況會繼續下去:東西印出來了,擺在那裡,而該讀到它的人不知道它存在。
到1870年,魏爾斯特拉斯在柏林主持過一個討論羅巴切夫斯基幾何的研討班,年輕的克萊因參加了。到這一步,它已經是可教,可研究的東西了。而那位年輕人第二年就做了一件更遠的事。
1871年,克萊因把這幾種幾何一起放進了射影幾何的框架:選定一條二次曲線作為基準,用交比來定義距離,於是歐氏幾何,雙曲幾何和另一種幾何成了同一個結構在不同基準下的不同度量版本。
這又一次強化了同一個思路。它們不再像彼此敵對的宇宙,而是同一樣東西的幾種讀法,彼此之間有精確的翻譯關係。
再往後,龐加萊在十九世紀八十年代把另一類模型接進了復變函數和群的理論。教科書裡常把那些模型記在龐加萊名下,可它們不是他第一次造出來的,貝爾特拉米1868年的工作里已經有等價的解析形式。龐加萊改變的是它們的用途和位置。到這一步,非歐幾何已經不是一門古怪的平行線理論,而是射影幾何,微分幾何和復分析共同使用的東西。
一樣東西一旦在三個不同的地方都有用,就不再需要為自己的存在辯護了。
六 模型
1854年六月十日,黎曼在哥廷根作就職演講,題目是論作為幾何基礎的假設。按程序他預先提交幾個題目,由高斯選中了這一個。
他問的不是平行線。他問得更高一層:一個多重延展的量該怎樣定義。怎樣在它上面規定長度。度量如何隨位置變化。曲率應該怎樣理解。而物理空間究竟屬於哪一種度量結構,不能只靠概念分析決定。
這是框架,不是同義詞。前面幾個人給出的是一種具體的替代幾何,而黎曼把不同的幾何提升成一個一般的度量結構家族。這篇演講1854年講完之後,生前沒有作為正式論文刊出。他1866年去世,遺稿由戴德金等人整理, 1868年前後正式進入公共文獻。同一年,貝爾特拉米做了那件決定性的事。
他做的事情可以用一句很謹慎的話說完:他把非歐幾何裡的對象和關係,解釋成已經被接受的歐氏幾何裡的對象和關係。
最直觀的一部分是一個叫偽球面的曲面。它的曲率處處為負而且是常數。在這個曲面自身內部量距離,沿著它上面最短的那些路徑走,一部分非歐平面幾何會真實出現:所謂的直線由曲面上的測地線扮演,角,距離和三角形關係都呈現出雙曲的形式。
於是過去看起來像純符號怪物的那些公式,現在在普通的三維空間里找到了一種具體的解釋。
但偽球面本身不等於完整的雙曲平面。它有邊界,有奇異的地方,沒法把整個無限的雙曲平面完好地鋪進三維空間。把貝爾特拉米的工作簡化成一隻號角形的曲面,會低估他真正做的事。
這一點後來被證實得更徹底。二十世紀初有人證明,一張完整的常負曲率曲面根本不可能規規矩矩地嵌進普通的三維空間里去。也就是說,想靠一個實物看見整個雙曲平面,這條路本身走不通。
所以他真正的工作不在那只曲面上。
他更深的貢獻是解析的模型。在一個普通的圓盤上,重新規定哪些曲線算直線,重新規定怎樣量距離,就可以讓非歐幾何的全部關係成立。
這句話讀起來像是作弊:你說什麼算直線就什麼算直線。
但規定完之後,剩下的事情就不由他做主了。那些被指定為直線的曲線彼此相交,圍成的圖形有確定的角和面積,這些關係是算出來的,不是定出來的。而算出來的結果,恰好就是非歐幾何裡那一套。
可以自由規定的只有開頭那一句。開頭之後的每一步都受制於普通的歐氏幾何。
這件事的邏輯意義和大多數人的第一反應不一樣。它不是說:既然偽球面看得見,真實的空間就是非歐的。
它說的是:假如非歐幾何能推出一個矛盾,那麼把這個推導逐句翻譯成圓盤上的說法,就會在普通的歐氏幾何裡推出一個對應的矛盾。
所以,只要承載模型的那套普通數學是自洽的,被解釋的這套非歐幾何也自洽。
這叫相對的一致。它沒有提供絕對的一致,因為模型本身站在另一套數學上。更沒有證明現實空間採用哪一種幾何。而它對這段歷史的作用,是把舉證責任整個掉了個頭。
在此之前,非歐幾何這一邊要不停地證明:你看,又一條命題,還是沒有矛盾。這件事永遠做不完,因為懷疑者永遠可以等下一條。在此之後,懷疑的那一邊得先回答:那麼請你說明,為什麼承載它的那套普通數學不會同時矛盾。這不是多了一條定理。這是換了一個誰需要開口的問題。
貝爾特拉米本人1868年並不是用二十世紀那套形式邏輯的語言來陳述目標的。把他的論文說成一篇現代的一致性證明,屬於事後重構。他做到的是:他的解釋事實上提供了後來被認識為相對一致性的那個數學結構。
七 那兩千年是怎麼結束的
有了模型,第五公設的獨立性才第一次獲得一個真正有力的理由。
獨立這個詞在這裡的意思很具體。如果第五公設真的能從其餘那幾條推出來,那麼凡是滿足其餘那幾條的解釋,第五公設都得在裡面成立。而貝爾特拉米給出了一個解釋:其餘那些基本關係在裡面都成立,而平行線的行為是雙曲的。
換句話說,他造出了一個反例。不是一個幾何上的反例,是一個關於證明可能性的反例:這裡有一個滿足全部前提而結論不成立的情形,所以那個結論推不出來。
於是第五公設不可能只靠那幾條推出來。
不過這句話要附一個條件,而這個條件正是第三篇處理過的那件事。歐幾里得原來那五條並不是一個完備明確的形式系統。關於次序,連續,全等,交點存在性的大量假設,他從來沒有明說。所以要把獨立性說得像今天這樣嚴格,還要等到十九世紀末有人把整個體系重新公理化。
現在可以回答那個兩千年的問題了:為什麼那麼多人證不出來。不是大家一直不夠聰明。是那個目標本身不可達。
這兩句話的分量差得很遠。前一句是在說一群人的能力,後一句是在說一件事情的性質。而兩千年裡,所有人默認的都是前一句。
一個命題如果獨立於其餘的前提,那麼從那些前提出發就永遠推不出它。任何一個聲稱成功的證明,都必定含有推理錯誤、未明說的前提,或在某一步重新引入了足以推出第五公設的東西。
所以回過頭看薩凱里最後那句違背直線的本性,就特別清楚了。
那不是一次個人的軟弱。那是幾百年裡所有失敗證明共同的形狀:在關鍵的那一步,把一個從來沒有寫出來的歐氏直覺,換一個名字重新請了回來。而每一次請回來的時候,請的人都覺得自己只是在說一件顯然的事。
這是這件事最難防的地方。一個前提之所以沒有被寫出來,通常正是因為它看起來不需要寫。而看起來不需要寫的東西,用起來也不會引起警覺。
第三篇裡那個例子可以放在這裡看。全書第一題就要取兩個圓的交點,而沒有任何一條許可說這兩個圓一定相交。兩千年裡沒有人跟它吵過架,因為畫出來就看見了。
薩凱里最後那一步用的是同一種東西,只是這一次它被用來關掉一扇門。兩千年裡,那一步一直在被走過,而且每一次都被當成不值一提的一步。
八 舉證責任
這一篇裡的人做的事情,可以排成一個很清楚的次序。
薩凱里證明了一大批命題,然後拒絕承認它們。蘭伯特證明了更多,並且看見了一個驚人的類比,但沒有下判詞。高斯相信這種幾何可能無矛盾,而沒有拿出一個足以說服別人的體系。波約伊和羅巴切夫斯基第一次把它寫成一門可以獨立運轉的學問。中間還有一層人,習慣上會被這個三人框架整個擦掉。
十九世紀二十年代,施魏卡特和陶里努斯已經在做相近的事。施魏卡特是法學教授,他把自己設想的那種幾何叫作星際幾何,通過中間人送到高斯手裡。陶里努斯從更早的平行線文獻起步,又與高斯通信,寫出的公式已經很接近雙曲三角學。
他們兩個都沒有像後來那樣,建立一個公開而持續的新幾何項目。但他們證明了一件事:這不是三個天才各自在真空里想出來的東西,而是一層連續的人里冒出來的幾個頭。
而這四步加在一起,仍然不足以讓數學界接受它。
四個人,一百年,幾百條命題,還不夠。
這些工作的目標並不相同,但僅憑不斷得到協調的命題,都還不足以保證永遠不會遇到矛盾。而這件事做不完。每多證一條,懷疑者就等下一條。真正結束這件事的不是第幾百零一條命題。是有人不再回答那個問題,換了另一個問題。不問它有沒有矛盾,問它和已經被接受的東西之間有沒有翻譯關係。翻譯關係一旦建立,原來那個問題就變成了別人的問題。
這一步之所以能成立,前提是有另一樣東西可以接。如果當時的歐氏幾何和解析方法本身也在風雨飄搖,接上去也沒有用。
所以這不是一個隨時可用的辦法。它在邏輯上需要一個承載模型的理論,而在當時的接受史上,這個理論受到廣泛信任尤其重要。這也不是一次取巧。
模型沒有回避那個問題。它把那個問題原封不動地搬到了另一個地方。如果非歐幾何真有矛盾,那個矛盾會原樣出現在普通的歐氏幾何裡。誰也沒有少承擔什麼。變的只是:現在承擔它的是一套已經被使用了兩千年,誰也不打算懷疑的東西。
第二篇的結尾說過,夠不著一樣東西的時候,可以改掉夠著的標準。這一篇是同一個動作的另一種形態,而且這一次改掉的不是標準,是誰需要舉證。這兩件事都值得記住,因為它們不只發生在數學裡。
一個長期無法被證明也無法被推翻的主張,通常不會因為再多一條證據而結束。它結束的方式,往往是有人把它接到另一樣已經被接受的東西上去,於是問題換了主人。
而接上去之後,它並沒有變得更真。它只是變得和別的東西一樣真,或者一樣不真。
數還在往下算,而什麼算數學,還沒有算清楚過。
Sources and further reading史料与延伸阅读史料與延伸閱讀
Selected references for historical details and interpretive disputes. Museum records, ancient literary accounts and modern reconstructions do not carry the same kind of evidence.
以下资料对应文中的历史细节与解释分歧。馆藏记录、古代文学与现代重建,不是同一种证据。
以下資料對應文中的歷史細節與解釋分歧。館藏記錄、古代文學與現代重建,不是同一種證據。
- Beltrami, Essay on the interpretation of non-Euclidean geometry, French translation (1869)贝尔特拉米1868论文之1869年法译原刊貝爾特拉米1868論文之1869年法譯原刊
- Jeremy Gray, Non-euclidean geometry—A re-interpretation (1979)杰里米·格雷:非欧几何的重新解释傑里米·格雷:非歐幾何的重新解釋
- École normale supérieure, Euclidean and non-Euclidean geometries法国高师 CultureMath:欧氏与非欧几何法國高師 CultureMath:歐氏與非歐幾何
- University of Florence, Beltrami's 1868 Essay佛罗伦萨大学:贝尔特拉米1868论文佛羅倫薩大學:貝爾特拉米1868論文
- Encyclopedia of Mathematics, Beltrami interpretation数学百科:贝尔特拉米解释數學百科:貝爾特拉米解釋