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曲率,定义为单位长度对应的转动角(起点切线与端点切线间的转动)。这个最为基本的概念是高斯几何理论的核心。
太简单了,几千年前就知道,一个杆绕定点转动,其端点就形成圆弧。转角的基本定义就是这根杆前后位置的夹角。欧氏几何早就定义了这个概念。
如果你生活在高斯的时代,你会如何看待高斯的曲率概念呢?不就是换个说法吗!
直到今天,几乎在所有的本科教科书中,对于转动的解释依然是沿用欧氏几何的定义。从而,对于曲率的解释依然是采用欧氏概念。
在教科书上,我们可以看到这样的两个经典体系:1)欧拉转动体系(刚体转动体系)。这是对欧氏几何转动概念的延伸,由平面转动延伸为3维空间的转动。2)复数体系(三角函数的代数扩展)。它是对刚体转动延伸,与欧拉转动不同的是,转动杆的长度是可随意变的。
这两个转动概念是最为流行的。
在现代体系中,有:3)转动是单位正交转动矩阵(幺变换)。其扩展理论是正交转动群。与绕定点转动概念的本质区别在于,继承了部分的高斯转动概念,不需要定义那个“定点”。4)高维空间扩展。群的正交变换,把被转动元素扩展为群。抽象化。
在思想本质上,依然是欧拉转动体系和复数体系转动的扩展。
一般的本科和研究生教科书,也就限于这个层次。学完后的感觉就是:没事找事。不就是形式化扩展吗!把简单问题复杂化。
我经常想,为何教科书会采用这种论述路线呢?结论是:为了学生易于接受。用现在时髦的话讲,就是:为了学生!
在这个体系下培养的学者会如何反对现代的转动概念呢?
例1.高斯曲率。对于曲面,标准的写法是K2。欧拉体系及复数体系能解释曲面的曲率概念,但是不能理性的导出曲率概念。而要想理性的导出高斯曲率,就必须研究一大堆的微分几何理论。所以,能够解释与能够理性的导出之间的思想距离有多大呢?算是150年吧。
把解释(当然也用数学形式)作为基础的书会解释:K的倒数是转轴半径。轻易的就消灭了高斯理论的核心(思想和理论推演),但是采用了高斯理论的结果!
在科学上,用解释性代替理性的后果如何呢?难于论述平行位移的概念,也无法论述在3维直角空间上看是2个反向矢量的和在闭曲面意义上不为零。可以这样理解,反对相对论的人很多的就是出于用解释性代替了理性。
例2.N维空间中的曲面曲率。标准的写法是KN-1。还能用欧拉体系及复数体系能解释吗?依然是可以的!但是,理性的导出,这是现代抽象几何代数的内容。一般的微分几何教科书不介绍此类理论。
正确的写法是,N维空间中的曲面有N-1个曲率,形式上分别为K, K2, …, KN-1。如果专著的作者写出所有的曲率,那基本上可以肯定这是正正经经的学者。但是,半吊子学者(赶时髦类)要回避一个实质性问题:这N-1个曲率各自的含义完全的不同。
此时,严重的分岐就出现了:A)限于3维空间,不越出经典理论论域。回避矛盾和冲突。解释性理论依然能够有足够的回旋空间。
B)把这N-1个曲率置于抽象的等价地位!也就是,理性上,它们可以求直和。其扩展就是:这N-1个曲率相同的曲面是相等的。解释性理论彻底的失效,理性理论从而直接面对四面八方的批评和指责。
那么,教科书(含研究生教科书)会作何选择呢?基本上对B 不介绍。在这样的体系下,只解释性的介绍KN-1。
我们问,把K, K2, …, KN-1置于同等地位的理性理论出现多少年了?就进入超一流大学的讲稿而言,大概是有30年了(如剑桥、哈佛)!
为何我前面有几篇博文(2016,9月)对于陈省身的理论没有在我国形成大的科研群体而感叹呢?因为,这条科学发展道路上,陈省身的研究算是一个小结点。
如果一个学者,在物理学或力学理论上,采用把K, K2置于同等理性地位的话,会有多少学者批判他呢?历史已经给出了答案!
总而言之,用解释性理论代替理性理论的优点是:易于接受,而且基本上能用上其导出的有“科学价值”的结论。缺点呢?这种解释性理论的普及将排斥对应的理性理论。所以,如果用解释性理论代替理性理论,则科学进步是极端困难的。
从高斯曲面理论建立,到把高斯理论推广到N维空间中的曲面,在思想上的曲曲折折是历史上科学进步曲折性的典型案例。
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GMT+8, 2024-4-25 21:52
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