悲伤的平行线会有相遇的一天吗？
2022/8/22 17:00:00 中国科普博览
提起平行线，大家都不陌生——两段平行延伸的铁轨、黑白相间的斑马线，这都是生活中可以观察到的平行线，在文学作品中我们也会看到这样的描述：“两个人就像平行线一样，永远没有交集”。在我们的印象中，平行线具有永不相交的性质。但有人却说：“平行线在无穷远点交于一点”。那平行线之间到底有没有交点？它们到底会不会在无穷远点相遇呢？
图1 平行铁轨
图片来源：百度百科要弄明白这个问题，我们需要先了解平行线永不相交这个说法是怎么来的。
Part.1
平行线诞生于平面几何第五公理古希腊数学家，几何学之父欧几里得在研究几何学的时候，发现了有些几何学知识属于经由人类长期反复的实践表明正确，不需要由别的知识推出。于是欧几里得在《几何原本》中给出了五大公理[1]，并以此为基础构建了几何学体系。这五大公理为：公理1：任意一点到另外任意一点可以画直线公理2：一条有限线段可以继续延长公理3：以任意点为心及任意的距离可以画圆公理4：凡直角都彼此相等公理5：同平面内一条直线和另外两条直线相交，若在某一侧的两个内角和小于二直角的和，则这两条直线经无限延长后在这一侧相交。在五大公理中，前四个看着都比较简洁明了，第五公理则相对啰嗦。后来的研究推导表明，第五公理与以下两个说法等价——一是，三角形的内角和为180度；二是，过直线外一点，有且仅有一条直线不与该直线相交。而第二个说法中两条永远不相交的直线则被称作平行线。这便是平行线永不相交这一说法产生的原因。也正因为第五公理与平行相关，该公理又被称为平行公理。
Part.2
非欧几何VS平行公理
从平面几何第五公理提出以来，数学家们就开始思考一个问题：这一公理能否被别的公理替代？19世纪，高斯、巴切夫斯基、波尔约等人各自独立尝试了使用不同的平行公理。最终根据过直线外一点能做几条直线与已知直线平行，形成了罗巴切夫斯基几何和黎曼几何两大新的几何体系。因为这两大体系与欧几里得几何学不同，所以又被统称为“非欧几何”。罗巴切夫斯基几何，简称为罗氏几何，认为过直线外一点至少能做出两条直线与已知直线平行。
图2 罗氏几何
图片来源：百度图片图2所示的双曲面形象地展示了这一情况。在一个双曲面上，因为空间的弯曲，过直线外一点可以画出好几条与已知直线平行的直线。因为这一几何描绘的是双曲面空间中的情况，所以也被称为“双曲几何”。在这样的双曲空间中，过直线外的一点，可以做出多条直线与已知直线平行。此外，在双曲空间中任意做出一个三角形，三角形内角和小于平面几何中的内角和(180°)。黎曼几何，则假定过直线外一点不存在与已知直线平行的直线。罗氏几何考虑的是双曲面中的几何学，黎曼几何考虑的则是椭圆空间中的几何学。因此，黎曼几何也被称为“椭圆几何”。
图3 黎曼几何
图片来源：百度图片图3形象地展示了黎曼几何的特点。在一个椭圆空间中，三角形内角和小于180度。并且因为椭圆空间中所有直线都经过椭圆空间最顶端的无穷远点，过直线外一点做不出已知直线的平行线。这也是我们常说的“平行线交于无穷远点”这一说法的来源。实际上，按照几何学的定义，当我们使用黎曼几何研究问题的时候，所有直线交于无穷远点，也就不存在平行线的概念了，因为在数学的定义上，称为平行线，就必须是同一平面内永远不相交的直线。从这个角度讲，“平行线交于无穷远点”是一个数学上的伪命题，但却具有一定的艺术价值。
Part.3
非欧几何有何应用价值？平面几何在我们的实际生活中有着非常大的应用价值。小到机械制造，大到地理信息测量，都离不开平面几何的计算。这也是为什么我们从小到大学习的都是平面几何。那非欧几何就是数学家们拍脑袋拍出来的吗？非欧几何有没有应用价值呢？答案是肯定的。非欧几何在特定的空间、特定的问题中具有很高的应用价值。从上文中我们可以看到，非欧几何主要用来研究双曲空间、椭圆空间这两种非平面空间中的几何学问题。而非平面空间在我们的实际生活中也是广泛存在的。非平面空间的出现，最常见的有两种情况：第一种情况是大质量天体导致的空间扭曲。根据广义相对论的相关理论，在大质量天体附近，空间会发生较为明显的弯曲。在日常生活中我们会发现，如果将一个重球放在支起来的布上，重球就会将布料压弯。而在宇宙中，大质量天体就是产生压迫的重球，空间结构就是支起来的布料，最后就会像图4一样，在大质量天体的周围，产生一定的空间弯曲。
图4 大质量天体产生明显空间弯曲
图片来源：百家号在这样的弯曲空间中进行宇宙航行时，平面几何的相关知识就不再适用，反而是非欧几何有了用武之地。单个天体产生的空间弯曲接近椭圆面，而多个天体则可能在交界区域产生接近于双曲面的弯曲空间。如果人类有一天迈向宇宙的星辰大海，根据非欧几何计算清楚弯曲空间中的几何关系，是实现宇宙航行必不可少的技术。第二种非平面空间是生存平面本身存在易忽视的曲率。我们生活的地球，其实本身就是一个椭球面。当我们在太空中观察地球时，很容易发现地球表面存在弯曲。这时候对于地球中几何关系，就可以通过空间立体平面几何进行分析。但是如果我们只在大地上进行观测，无法获得太空中的视角，那地球表面这个二维空间中的几何关系，其实就符合椭圆几何的相关性质。基于地球表面的这种特点，黎曼几何可以被用于地球表面的度量之中。通过基于黎曼几何的方法，对于地球表面的测地线进行研究，“测地几何”这一门学科就建立起来了。因此，在地球表面研究地理信息、航空航海等问题时，非欧几何中的黎曼几何就有着很高的应用价值。最后，回到我们最开始的问题，平行线本身的数学定义就是没有交点的，平行线也不会在无穷远点相遇。只是在黎曼几何中，两条看上去“平行”的直线会在无穷远点相遇，但它们实质上不属于平行线。虽然平行线注定不会相遇，但是对平行线和平面几何第五公理的研究，却产生了罗氏几何、黎曼几何等非欧几里得几何学，并在各方各面有着广泛的应用。数学研究很多时候都是这样，看上去奇思妙想的“无用之举”，最后反而在实际生活中找到了妙用。参考文献：
[1]欧几里得著, 兰纪正, 朱恩宽. 欧几里得几何原本[M]. 陕西科学技术出版社, 2003
出品：科普中国
作者：饭堂科普
监制：中国科学院计算机网络信息中心
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