آزمایش عجیب گاوس

در مورد تلاش شما، چیزی (یا چیز زیادی) برای گفتن ندارم، جز این که ناقص است. اثباتی که برای این که مجموع زوایای یک مثلث نمی‌تواند بیشتر از ۱۸۰ درجه باشد ارائه کرده اید، تا حدی فاقد دقت هندسی است. اما به سادگی می‌توان آن را اصلاح کرد، و در این که می‌توان این غیرممکن بودن را در کمال دقت ثابت کرد شکی نیست. اما در مورد قسمت دوم، که مجموع زوایای یک مثلث نمی‌تواند کم‌تر از ۱۸۰ درجه باشد، وضع متفاوت است، این نقطه‌ی حساسی‌است که کشتی‌ها را در هم می‌شکند. به نظر نمی‌رسد که این قسمت شما را زیاد درگیر کرده باشد. من بیشتر از ۳۰ سال روی این موضوع کار کرده‌ام، و بعید می‌دانم کسی بیشتر از من روی این موضوع کار کرده باشد، هر چند تا کنون چیزی در این مورد به چاپ نرسانده‌ام.

این فرض که مجموع زوایای مثلث می‌تواند کم‌تر از ۱۸۰ درجه باشد، به هندسه‌ی عجیبی می‌انجامد، که با هندسه‌ی ما (هندسه‌ی اقلیدسی) بسیار متفاوت، اما به همان اندازه سازگار است. من آن را بسط داده‌ام و کاملا از آن راضی هستم، و می‌توانم هر مسئله‌ای را در آن حل کنم، جز یافتن یک ثابت، که نمی‌توان آن را پیش از تجربه (as a priori) تعیین کرد. هر چقدر این مقدار ثابت بزرگ‌تر باشد، این هندسه به هندسه‌ی اقلیدسی نزدیک‌تر می‌شود.

این بخشی از نامه‌ی گاوس، شاهزاده‌ی ریاضیات، به تارینوس، در مورد اثبات اصل توازی بود. و احتمالا دقت کردید، که کل چیزی که گاوس مدعی اثباتش هست، اینه که مجموع زوایای یک مثلث، بیشتر از ۱۸۰ درجه نیست. و اگر راستش رو بخواید، اگر اصل توازی رو نپذیریم، چیزی بیشتر از این نمی‌تونیم ثابت کنیم.

مقدمه‌ی اول، اصل توازی، و چند گزاره‌ی هم‌ارز

نمی‌خوام خیلی هندسه بگم، اما دونستن این خوبه که جمله‌های زیر هم‌ارز هستن، یعنی هر کدوم رو رد کنید، همه رد شدند، و هر کدوم رو که قبول کنید، همه معتبر هستند(البته با قبول همه‌ی بنداشت‌های هیلبرت، غیر از اصل توازی):

• مثلثی با مجموع زوایای ۱۸۰ درجه وجود دارد.
• مجموع زوایای هر مثلث برابر ۱۸۰ درجه است.
• مجموع زوایای همه‌ی مثلث‌ها برابر است.
• برای مساحت مثلث‌ها هیچ کران بالایی وجود ندارد.
• از نقطه‌ی p خارج از خط l تنها یک خط موازی l وجود دارد.

با توجه به هم‌ارزی این گزاره‌ها، و گزاره‌های دوم و چهارم پنجم، می‌بینیم که اگر بتونیم مثلثی پیدا کنیم که مجموع زوایاش کم‌تر از ۱۸۰ درجه باشه، اصل توازی رد می‌شه.

مقدمه‌ی دوم، فلسفه‌ی هندسه

گاهی بحث می‌شه که هندسه‌ی فضایی که ما توش زندگی می‌کنیم چیه؟ خب این سوال یعنی چی؟ توی هندسه، وقتی می‌گیم «خط»، مسلما منظورمون خطی که روی کاغذ می‌کشیم نیست. جالبه که حتی منظورمون خط‌هایی که بی‌نهایت ادامه دارن هم نیست. نکتش اینه:«وقتی می‌گیم خط، اصلا منظورمون هیچ چیز نیست!». توی هندسه، ما دو موجود تعریف نشده داریم، «نقطه» و «خط»، و همچنین ۳ رابطه‌ی تعریف‌نشده، «قرار دارد بر» (نسبتی میان نقطه و خط)، «میان» (نسبتی بین ۳ نقطه که روی یک خط قرار دارند)، و «قابلیت انطباق» (نسبتی بین ۲ پاره‌خط).

حالا وقتی من می‌گم دستگاه مختصات دکارتی یک مدل برای هندسه‌ی اقلیدسیه، منظورم اینه که، به «زوج‌های مرتب» می‌گم «نقطه»، به «مجموعه‌ی نقاطی که توی فلان معادله‌ها صدق کنند» می‌گم «خط»، اگر یک نقطه(زوج مرتب) عضو یک خط(به عنوان یک مجموعه) باشه می‌گم «این نقطه روی اون خط قرار داره» و …، و با این تعاریف، این موجودات توی بنداشت‌هایی که قبول کردم صدق می‌کنند.

برای بررسی هندسه‌ی دنیای فیزیکی اطرافمون هم باید همچین کاری بکنیم. خب، سوال اینه:«به چی بگیم خط؟». 🙂 سال‌هاست یه پیشنهاد معقول وجود داره، مسیر حرکت نور. راحت و خوب. 🙂

اصل داستان

«یه روزی، گاوس، با نور یک مثلث روی قله‌ی ۳ تا کوه تشکیل می‌ده، و مجموع زوایاشون رو اندازه می‌گیره، شاید بتونه ببینه که واقعا از ۱۸۰ درجه کمتر هستند.»

امیدوارم به اندازه‌ی من، وقتی که این رو خوندم، تعجب کرده باشید. 🙂

اون ۳ تا کوه اسم‌هاشون Brocken و Hohenhagen و Inselbergه. اگر می‌خواید در مورد این آزمایش بیشتر بخونید اینجا و اینجا رو ببینید. البته مقداری که گاوس به دست آورد از ۱۸۰ درجه کم‌تر بود، اما افسوس، که مقدار کسری از دقت ابزار گاوس کم‌تر بود. اگر واقعا همچین چیزی پیدا می‌شد، می‌تونستیم واحد قراردادی طول، «متر» رو، با یک واحد واقعی جایگزین کنیم. 🙂 (بعدا در مورد این هم می‌نویسم.) بعد‌ها آزمایش‌های نجومی هم داشتیم، اما هنوز چیزی پیدا نشده.

باز هم بعد‌تر، اگر تئوری گرانشی اینشتین رو قبول کنیم، مشخص شد که هندسه‌ی دنیای ما چیزی پیچیده‌تر از هندسه‌های اقلیدسی و هذلولویه، که توسط گودل و افراد دیگه بسط داده شده.

اما چیزی که مهمه اینه که ما بعد از ۲۰۰۰ سال تلاش، فهمیدیم که می‌شه هندسه‌ای غیر از هندسه‌ی اقلیدسی تصور کرد، بدون این که به تناقضی برسیم.

پست رو با یک جمله منصوب به اینشتین تموم می‌کنم:

If the facts don’t fit the theory, change the facts.