4. Hilbertsches Problem:

Problem von der Gerade als kürzeste Verbindung zweier Punkte

Eine andere Problemstellung, betreffend die Grundlagen der Geometrie, ist diese. Wenn wir von den Axiomen, die zum Aufbau der gewöhnlichen euklidischen Geometrie nötig sind, das Parallelenaxiom unterdrücken, bezüglich als nicht erfüllt annehmen, dagegen alle übrigen Axiome beibehalten, so gelangen wir bekanntlich zu der Lobacevskijschen (hyperbolischen) Geometrie; wir dürfen daher sagen, daß diese Geometrie insofern eine der euklidischen nächststehende Geometrie ist. Fordern wir weiter, daß dasjenige Axiom nicht erfüllt sein soll, wonach von drei Punkten einer Geraden stets einer und nur einer zwischen den beiden anderen liegt, so erhalten wir die Riemannsche (elliptische) Geometrie, so daß diese Geometrie als eine der Lobacevskijschen nächststehende erscheint. Wollen wir eine ähnliche prinzipielle Untersuchung über das Archimedische Axiom ausführen, so haben wir dieses als nicht erfüllt anzusehen und gelangen somit zu den Nicht-Archimedischen Geometrien, die von VERONESE und mir untersucht worden sind. Die allgemeinere Frage, die sich nun erhebt, ist die, ob sich noch nach anderen Gesichtspunkten Geometrien aufstellen lassen, die mit gleichem Recht, der gewöhnlichen euklidischen Geometrie nächststehend sind, und da möchte ich Ihre Aufmerksamkeit auf einen Satz lenken, der von manchen Autoren sogar als Definition der geraden Linie hingestellt worden ist und der aussagt, daß die Gerade die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten ist. Der wesentliche Inhalt dieser Aussage reduziert sich auf den Satz von EUKLID, daß im Dreieck die Summe zweier Seiten stets größer als die dritte Seite ist, einen Satz, welcher, wie man sieht, lediglich von elementaren, d. h. aus den Axiomen unmittelbar entnommenen Begriffen handelt, und daher der logischen Untersuchung zugänglicher ist. EUKLID hat den genannten Satz vom Dreieck mit Hilfe des Satzes vom Außenwinkel auf Grund der Kongruenzsätze bewiesen. Man überzeugt sich nun leicht, daß der Beweis jenes euklidischen Satzes allein auf Grund derjenigen Kongruenzsätze, die sich auf das Abtragen von Strecken und Winkeln beziehen, nicht gelingt, sondern daß man zum Beweise eines Dreieckskongruenzsatzes bedarf. So entsteht die Frage nach einer Geometrie, in welcher alle Axiome der gewöhnlichen euklidischen Geometrie und insbesondere alle Kongruenzaxiome mit Ausnahme des einen Axioms von der Dreieckskongruenz (oder auch mit Ausnahme des Satzes von der Gleichheit der Basiswinkel im gleichschenkligen Dreieck) gelten und in welcher überdies noch der Satz, daß in jedem Dreieck die Summe zweier Seiten größer als die dritte ist, als besonderes Axiom aufgestellt wird.

Man findet, daß eine solche Geometrie tatsächlich existiert und keine andere ist als diejenige, welche MINKOWSKI (Leipzig 1896) in seinem Buche "Geometrie der Zahlen" aufgestellt und zur Grundlage seiner arithmetischen Untersuchungen gemacht hat. Die Minkowskische Geometrie ist also ebenfalls eine der gewöhnlichen Geometrie nächststehende; sie ist im wesentlichen durch folgende Festsetzungen charakterisiert: Erstens: Die Punkte, die von einem festen Punk O gleichen Abstand haben, werden durch eine konvexe geschlossene Fläche des gewöhnlichen euklidischen Raumes mit O als Mittelpunkt repräsentiert. Zweitens: Zwei Strecken heißen auch dann einander gleich, wenn man sie durch Parallelverschiebung des euklidischen Raumes ineinander überführen kann.

In der Minkowskischen Geometrie gilt das Parallelenaxiom; ich gelangte bei seiner Betrachtung (Mathematische Annalen, Bd. 46, S.91), die ich über den Satz von der geraden Linie als kürzester Verbindung zweier Punkte anstellte, zu einer Geometrie, in welcher nicht das Parallelenaxiom gilt, während alle übrigen Axiome der Minkowskischen Geometrie erfüllt sind. Wegen der wichtigen Rolle, die der Satz von der Geraden als kürzester Verbindung zweier Punkte und der im wesentlichen äquivalente Satz von EUKLID über die Seiten eines Dreiecks nicht nur in der Zahlentheorie, sondern auch in der Theorie der Flächen und in der Variationsrechnung spielt, und da ich glaube, daß die eingehendere Untersuchung der Bedingungen für die Gültigkeit dieses Satzes ebenso auf den Begriff der Entfernung wie auch noch auf andere elementaren Begriffe, z. B. den Begriff der Ebene und die Möglichkeit ihrer Definition mittels des Begriffes der Geraden ein neues Licht werfen wird, so erscheint mir die Aufstellung und systematische Behandlung der hier möglichen Geometrien wünschenswert.

Im Fall der Ebene und unter Zugrundelegung des Stetigkeitsaxioms führt das genannte Problem auf die von DARBOUX (Lecons sur la theorie generale des surfaces, Bd. 3, Paris 1894, S.54) behandelte Frage, alle Variationsprobleme in der Ebene zu finden, für welche sämtliche Geraden der Ebene die Lösungen sind - eine Fragestellung, die mir weitgehender Verallgemeinerungen fähig und würdig erscheint. (Vgl. die interessanten Untersuchungen von A. HIRSCH, Mathematische Annalen, Bd. 49 und 50.)