空间的长度单位(标准尺)可以随位置甚至时间而变,即,各个地方的长度单位还不一样(上海的1尺是广州的9寸)。这就是最通用的黎曼空间了。黎曼提出这种空间60余年以后,爱因斯坦找到了一个物理实例(使之成为最伟大的科学家),也就是阁下所在的宇宙,其实就是一个黎曼空间。真是不识庐山真面目,只缘身在此山中。当然阁下想看到尺子钟表不一样,或者看到时空之弯曲,您得稍微走高一点看才行,例如走100万光年回头看。藉助现代仪器如原子钟,地面与卫星轨道的时间差异就可以量出来。这里终于搭上了短江兄的GR话题。
这有个休息亭,好,歇一会:一些人觉得像流形、非欧空间或弯曲空间难以捉摸,这里试着从一种特别的角度解释一下。我们回顾一下微积分干了什么。依我看,其实就是用古希腊数学家们关于线段、长方形和长方体的已知结果(长度、面积和体积)用来量度一般曲线、曲面和曲体的长度、面积和体积。其中用到的一个基本假设就是,不管多么"弯曲"的东西,总可以找到一个足够小的尺度,在此尺度下一切都是平直的。故可以用大量的微小线段、微长方形或微长方体为"尺子"拼凑出任意的形状或体系。微分几何的大部分也就是告诉你如何用微小的平直空间来建造一个"任意的"流形,所以基本思想还就是那一点东西在兜来兜去。
非欧空间简单讲就是一个到处充满奸商政痞地头蛇的国度,尺度和时间或物价等标准(数学家叫度规)由这些地头蛇制订。经历千万年演化,这些地头蛇现在都成了蛇精,变态已极,弄得流形上每一点都有其自己的度规标准,成语"点化成精"得改成"精化成点"。对于一个生活在这个国度的人而言,弄清各个地头蛇之度量时间标准之兑换率是至关重要的,这个兑换率就叫做联络(系数)。有人可能会讲,度规确定联络系数,简直是一句废话,纽约(N)一美元是波士顿(B)的95美分,联络系数当然是L_{NB}=1.05或L_{BN}=0.95。大体没错。不过,你们可能还不知道这些地头蛇有多么无耻变态,原来,"上海的1尺是广州的9寸"只是一个大体的说法。地头蛇说,真正的兑换率还要看你的尺子是朝南北方向量,还是沿东西方向量,还是朝民主街方向量,还是朝自由大道方向量....也就是度规还与方向有关。还有比这更黑心变态的地头蛇吗?那种国度最后被上帝警告惩罚,地头蛇稍有收敛,将同一位置不同方向的度规兑换率用一个简单函数约束。只要知道三个互相垂直方向的两两兑换率(对三维流形总共是9个,对吧?)就可以知道任意方向的兑换率。这9个值就是度规张量。不同地方的度规张量之间的转换(联络系数)也可以决定:度规-->联络-->曲率(后面细讲)。
这里我们也看到一个数学与物理、化学和生物的范式对应:线段、长方形和长方体就是数学里的原子、分子和微晶,由此堆集出千千万万的流形(包括纤维丛)。