Евклидова и Неевклидова геометрия

Непротиворечивость  геометрии Лобачевского Выведя уже  в своей первой работе “О началах  геометрии” формулы тригонометрии  своей новой системы, Лобачевский  заметил, что “эти уравнения переменяются в… (уравнения) сферической Тригонометрии, как скоро вместо боков a, b, c ставим в , , , но в обыкновенной Геометрии и сферической Тригонометрии везде входят одни содержания (т. е. отношения) линий: следовательно, обыкновенная Геометрия, Тригонометрия и эта новая геометрия всегда будут согласованы между собой”. Это означает, что если мы запишем теорему косинусов, теорему синусов и двойственную теорему косинусов сферической тригонометрии для сферы радиуса r в виде

то формулы  тригонометрии Лобачевского можно  записать в том же виде, заменив  стороны a, b, c треугольника произведениями ai, bi, ci; так как умножение сторон a, b, c на i равносильно умножению на i радиуса сферы, то, полагая r=qi и воспользовавшись известными соотношениями cos(ix) = ch x, sin(ix) = i sh x, мы можем переписать соответственные формулы тригонометрии Лобачевского в виде ,

Сам Лобачевский  пользовался не функциями ch x и sh x, а комбинациями введенной им функции с тригонометрическими функциями; постоянная q в этих формулах - та же, что и в формулах (1) и (2). Фактически Лобачевский доказал непротиворечивость своей системы тем, что ввел как на плоскости, так и в пространстве координаты и таким образом построил арифметическую модель плоскости и пространства Лобачевского. Однако сам Лобачевский видел свидетельство непротиворечивости открытой им геометрии в указанной связи формул его тригонометрии с формулами сферической тригонометрии. Этот вывод Лобачевского неправомерен. В своем мемуаре он доказал, что формулы сферической тригонометрии вытекают из его геометрии, между тем, чтобы утверждать, что из непротиворечивости тригонометрических формул вытекает непротиворечивость геометрии Лобачевского, надо было бы доказать, что все предложения последней можно вывести из ее тригонометрических формул и “абсолютной геометрии” - предложений, не зависящих от пятого постулата. Лобачевский попытался провести такое доказательство, но в его рассуждения вкралась ошибка.

Развитие евклидовой геометрии Новая система геометрии  не получила признания при жизни  ее творцов. Коллега Лобачевского по Казанскому университету П.И. Котельников (1809-1879) в своей актовой речи 1842 г. открыто заявил: “не могу умолчать о том, что тысячелетние тщетные попытки доказать со всей математической строгостью одну из основных теорем геометрии, равенство суммы углов в прямолинейном треугольнике двум прямым, побудили достопочтенного заслуженного профессора нашего университета предпринять изумительный труд - построить целую науку, геометрию, на новом предложении: сумма углов в прямолинейном треугольнике меньше двух прямых - труд . который рано или поздно найдет своих ценителей”. За исключением этого выступления неизвестны другие официальные положительные отзывы о Лобачевском, как о творце новой геометрии. На “Аппендикс” Я. Бояи и вовсе не имелось откликов. Гаусс же, как уже говорилось, избегал публикации своих открытий. Ситуация изменилась только в 60-х годах XIX века. Несмотря на враждебное отношение отдельных влиятельных математиков старших поколений, к изучению и разработке неевклидовой геометрии приступает все большее число выдающихся молодых ученых. Некоторую роль в этом сыграло посмертное издание писем Гаусса. В Европе идеи неевклидовой геометрии воспринимаются с энтузиазмом, появляются переводы трудов Лобачевского. Меняется отношение к новой геометрии и в России. В 1868 г. профессор Московского высшего технического училища А. В. летников (1837-1888) поместил в III тому “Математического сборника” русский перевод “Геометрических исследований” Лобачевского с предисловием, в котором геометрические труды Лобачевского характеризуются как “весьма замечательные, но мало известные”, а профессор Э. П. Янишевский опубликовал в Казани “Историческую записку о жизни и деятельности Н. И. Лобачевского”. И, наконец, в том же 1868 году выходит статья Э. Бельтрами(1835 - 1900) об интерпретациях геометрии Лобачевского “опыт интерпретации неевклидовой геометрии”, в которой он отправлялся от работ Миндинга. В этой работе Бельтрами вычислил линейный элемент (квадрат дифференциала дуги) плоскости Лобачевского в координатах u, v, равных расстояниям точки от двух взаимно перпендикулярных прямых, деленным на r (в настоящее время эти координаты называют бельтрамиевыми), и нашел, что в этой системе координат линейный элемент имеет вид . Вычисляя далее гауссову кривизну поверхности с таким линейным элементом, Бельтрами обнаружил, что гауссова кривизна плоскости Лобачевского во всех ее точках равна одному и тому же числу , то есть что плоскость Лобачевского можно рассматривать как поверхность постоянной отрицательной кривизны. Так как всякую поверхность с точки зрения ее внутренней геометрии можно рассматривать как интерпретацию любой поверхности, наложимой на нее, а необходимым и достаточным условием наложимости поверхностей является равенство гауссовых кривизн в соответственных точках поверхностей, Бельтрами сделал вывод, что плоскость Лобачевского может быть интерпретирована любой поверхностью постоянной отрицательной кривизны. Впоследствии (1900) Гильберт доказал, что всякая поверхность постоянной отрицательной кривизны в евклидовом пространстве изометрична только части или нескольким частям плоскости Лобачевского, но никогда не изометрична плоскости Лобачевского целиком. С другой стороны, рассматривая точки евклидовой плоскости с координатами, численно равными “бельтрамиевым координатам” u, v плоскости Лобачевского, Бельтрами получает вторую интерпретацию. Так как координаты u, v связаны условием , (3) при этой интерпретации вся плоскость Лобачевского изображается внутренностью круга, ограниченного окружностью . (4) Бальтрами показал, что прямые линии плоскости Лобачевского при этом изображаются хордами этого круга, а расстояние токи Р с координатами (u,v) до начала координат 0 равно . (5) Хотя Бельтрами не дал формулы для расстояния между двумя произвольными точками и не выяснил, как в его интерпретации изображаются движения плоскости Лобачевского, эта интерпретация Бельтрами явилась первым, правда, неполным, доказательством непротиворечивости плоскости Лобачевского. Впоследствии появились интерпретации Кэли и Клейна Лобачевский указывал но связь геометрии с физикой, и хотя его измерения углов с треугольника с громадными астрономическими размерами показали еще справедливость евклидовой геометрии, на самом деле, как оказалось позже, поправки, полученные в рамках теории, основанной именно на неевклидовой геометрии, оказались заметными даже внутри планетной системы, объяснив знаменитую аномалию движения Меркурия, обнаруженную в XIX столетии Леверье. Неевклидова геометрия сыграла огромную роль во всей современной математике, и фактически в теории геометризованной гравитации марселя Гросмана-Гильберта-Эйнштейна(1913-1915). Довольно неожиданно, еще раньше была установлена вязь кинематики Лоренца-Пуанкаре с геометрией Лобачевского. В 1909 году Зоммерфельд показал, что закон сложения скоростей данной кинематики связан с геометрией сферы мнимого радиуса (подобное соотношение уже отмечали Лобачевский и Бояйи). В 1910 году Варичак указал на аналогию данного закона сложения скоростей и сложения отрезков на плоскости Лобачевского. Предположение Лобачевского, что реальные геометрические отношения зависят от физической структуры материи, нашло подтверждение не только в космических масштабах. Современная теория квант все с большей настоятельностью выдвигает необходимость применения геометрии, отличной от евклидовой, к проблемам микромира.

Список литературы:

1. Математика XIX века, “Наука”, М., 1981
2. Юшкевич А.П., История математики в России, “Наука”, М., 1968
3. Ефимов Н.В., Высшая геометрия, “Наука”, М.,1971.

Неевклидовы пространства и новые проблемы физики, “Белка”, М., 1993 Клайн М., Математика. Утрата определенности, “Мир”, М., 1984