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第172章 黎曼度量

月净威,哈佛大学科学家,道:“研究黎曼几何,先要熟悉以下主题:1.度量张量2.黎曼流形3.列维-奇维塔联络4.曲率5.曲率张量。”

精星灵,曰:“人物介绍。黎曼(德国,1826-1866年):几何观点,黎曼面。1851年博士论文《单复变函数一般理论基础》,其重要性恰如著名数学家阿尔福斯(芬-美,1907-1996年)所说:这篇论文不仅包含了,现代复变函数论主要部分的萌芽,而且开启了拓扑学的系统研究,革新了代数几何,并为黎曼自己的微分几何研究铺平了道路。此外,建立了柯西-黎曼条件,真正使这方程成为复分析大厦的基石,揭示出复函数与实函数之间的深刻区别,黎曼映射定理。”

月净威,哈佛大学科学家,道:“黎曼几何。黎曼流形上的几何学。德国数学家G.F.B.黎曼19世纪中期提出的几何学理论。1854年黎曼在格丁根大学发表的题为《论作为几何学基础的假设》的就职演说,通常被认为是黎曼几何学的源头。在这篇演说中,黎曼将曲面本身看成一个独立的几何实体,而不是把它仅仅看作欧几里得空间中的一个几何实体。他首先发展了空间的概念,提出了几何学研究的对象应是一种多重广义量,空间中的点可用n个实数(x1,……,xn)作为坐标来描述。这是现代n维微分流形的原始形式,为用抽象空间描述自然现象奠定了基础。这种空间上的几何学应基于无限邻近两点(x1,x2,……xn)与(x1+dx1,……xn+dxn)之间的距离,用微分弧长度平方所确定的正定二次型理解度量。亦即(gij)是由函数构成的正定对称矩阵。这便是黎曼度量。赋予黎曼度量的微分流形,就是黎曼流形。黎曼认识到度量只是加到流形上的一种结构,并且在同一流形上可以有许多不同的度量。黎曼以前的数学家仅知道三维欧几里得空间E3中的曲面S上存在诱导度量ds2=Edu2+2Fdudv+Gdv2,即第一基本形式,而并未认识到S还可以有独立于三维欧几里得几何赋予的度量结构。黎曼意识到区分诱导度量和独立的黎曼度量的重要性,从而摆脱了,经典微分几何曲面论中局限于诱导度量的束缚,创立了黎曼几何学,为近代数学和物理学的发展作出了杰出贡献。黎曼几何以欧几里得几何和种种非欧几何作为其特例。例如:定义曲率(截面曲率处处为常数)(a是常数),则当a=0时是普通的欧几里得几何,但是在宇宙的时空当中,确实完全的不同。当0时,就是椭圆几何,而当a0时,为双曲几何。这是这颗金色的星球,上面的人类。对于,时空的理解。”

精星灵,曰:“学说发展。黎曼几何中的一个基本问题,是微分形式的等价性问题。该问题,大约在1869年前后,由E.B.克里斯托费尔和R.李普希茨等人解决。前者的解包含了,以他的姓命名的两类克里斯托费尔记号和协变微分概念。在此基础上G.里奇发展了,张量分析方法,这在广义相对论中,起了基本数学工具的作用。他们进一步发展了,黎曼几何学。”

月净威,哈佛大学科学家,道:“与李群。但在黎曼所处的时代,李群以及拓扑学,还没有发展起来,因此黎曼几何,只限于小范围的理论。大约在1925年H.霍普夫才开始对黎曼空间的微分结构与拓扑结构的关系,进行了研究。随着微分流形精确概念的确立,特别是E.嘉当在20世纪20年代开创并发展了,外微分形式与活动标架法,建立了李群与黎曼几何之间的联系,从而为黎曼几何的发展奠定重要基础,并开辟了广阔的园地,影响极其深远。并由此发展了线性联络及纤维丛的研究。”

精星灵,曰:“与爱因斯坦。1915年,A.爱因斯坦运用黎曼几何和张量分析工具创立了,新的引力理论——广义相对论。使黎曼几何(严格地说洛伦兹几何)及其运算方法(里奇算法)成为,广义相对论研究的有效数学工具。而相对论的发展,则受到整体微分几何的强烈影响。例如,矢量丛和联络论构成规范场(杨-米尔斯场)的数学基础。1944年,陈省身给出n维黎曼流形高斯-博内公式的内蕴证明,以及他关于埃尔米特流形的示性类的研究,引进了后来通称的陈示性类,为大范围微分几何,提供了不可缺少的工具,并为复流形的微分几何与拓扑研究,开创了先河。半个多世纪,黎曼几何的研究从局部发展到整体,产生了许多深刻的结果。黎曼几何与偏微分方程、多复变函数论、代数拓扑学等学科互相渗透,相互影响,在现代数学和理论物理学中,有重大作用。”

月净威,哈佛大学科学家,道:“广义相对论。广义相对论是阿尔伯特·爱因斯坦于1915年发表的用几何语言描述的引力理论,它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中,并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中,引力被描述为时空的一种几何属性(曲率);而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系,其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程(一个二阶非线性偏微分方程组)。从广义相对论得到的有关预言和经典物理中的对应预言非常不相同,尤其是有关时间流逝、空间几何、自由落体的运动以及光的传播等问题,例如引力场内的时间膨胀、光的引力红移和引力时间延迟效应。广义相对论的预言至今为止已经通过了所有观测和实验的验证——虽说广义相对论并非当今描述引力的唯一理论,它却是能够与实验数据相符合的最简洁的理论。不过,仍然有一些问题至今未能解决,典型的即是如何将广义相对论和量子物理的定律统一起来,从而建立一个完备并且自洽的量子引力理论。爱因斯坦的科学定律,对所有的观察者,不管他们如何运动,都必须是相同的。它将引力解释成四维空间的曲率。”

精星灵,曰:“与欧氏几何。注意区分两种不同的讨论:数学上的讨论和物理学的时空观。数学上的黎曼几何可以看做是欧式几何的推广。欧式几何中的度量是零曲率的,而黎曼几何研究更一般的度量,在不同的度量下,空间的曲率是不同的。物理学中,牛顿力学粗略地说是建立在欧式空间上的。而广义相对论里的时空,是一个黎曼流形。”

以下一段讨论,涉及物理时所说的“欧式几何”有时候是指“牛顿时空观”。

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