【數(shù)學(xué)之美】你知道一根繩子有多長(zhǎng)嗎？
2020-12-04 10:04:22
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如果給你一根繩子，問你這根繩子有多長(zhǎng)，你會(huì)怎么做？
這似乎是個(gè)再簡(jiǎn)單不過的問題。把繩子拉直，用尺子從一頭量到另一頭。
好了，結(jié)果已經(jīng)出來了。
但量出來的數(shù)值真的就是這根繩子的長(zhǎng)度嗎？答案遠(yuǎn)沒有這么簡(jiǎn)單。
英國(guó)廣播公司BBC在2009年專門拍攝了一部紀(jì)錄片《一根繩子有多長(zhǎng)？》，主持人艾倫戴維斯在五金店買了一根繩子，五金店老板為他量了一下繩子的長(zhǎng)度，32厘米。很顯然這不是艾倫想要的數(shù)字。于是，艾倫開始了測(cè)量一根繩子真正長(zhǎng)度的神奇旅程。
尺子量出來的數(shù)值不準(zhǔn)，所有人都能意識(shí)到?？潭染取⒂∷⒄`差等都會(huì)影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性。只是我們生活中不需要那么高的精度，所以往往會(huì)忽視掉這些誤差。
如果讓你說出如何測(cè)量這根繩子最精準(zhǔn)長(zhǎng)度的方法，你會(huì)想到什么？
你知道光的速度嗎？
答案是299,792,458米/秒。
也就是說1/299792458秒光行走的距離正好是1米。因此，理論上用光來測(cè)這根繩子的長(zhǎng)度，應(yīng)該是個(gè)好辦法。
艾倫戴維斯在數(shù)學(xué)家馬科斯桑托伊的帶領(lǐng)下來到了國(guó)家物理研究所，在專業(yè)人員的操作下，通過全自動(dòng)激光跟蹤器測(cè)得這根繩子有319毫米又442微米，即 319.442毫米。
好的，我們以光速來衡量繩子的距離，得到了想要的數(shù)字，真是非常skr了，旅程到此結(jié)束。
但數(shù)學(xué)家馬科斯并沒有滿意，他認(rèn)為這仍然不是想要的結(jié)果。
馬科斯舉了一個(gè)例子，在地圖上測(cè)量一條海岸線的長(zhǎng)度，如果用尺子測(cè)量，距離是一個(gè)數(shù)字。如果用繩子測(cè)量，這個(gè)距離會(huì)變長(zhǎng)。
因?yàn)槌咦邮侵钡?，不能彎曲，用來測(cè)量地圖的海岸線則將會(huì)忽略海岸線的曲折，繩子相對(duì)尺子而言可以彎曲，但是仍然不夠精確。每種測(cè)量工具都能有效放大海岸線的各個(gè)細(xì)節(jié)，這會(huì)呈現(xiàn)出更多的迂回曲折，測(cè)量工具揭示的細(xì)節(jié)越多，長(zhǎng)度也就越長(zhǎng)。
馬科斯認(rèn)為繩子的情況也是一樣的，一根繩子，并不是平滑的繩子，它上面有許多褶皺。越仔細(xì)觀察，褶皺就越多。 因此，這根繩子到底多長(zhǎng)，取決于測(cè)量工具的準(zhǔn)確程度。
馬科斯帶艾倫來到了沙灘上，并在沙灘上畫起了三角形。
等等，有沒有覺得很眼熟？
沒錯(cuò)，就是我們上次在《分形——發(fā)現(xiàn)隱藏的維度》一文中提到的科克曲線。
還記得那篇文章中如何介紹科克曲線的嗎？由于科克曲線每一個(gè)邊都是自身形狀的無數(shù)次重復(fù)，因此科克曲線的周長(zhǎng)是無限長(zhǎng)的。
如果這根繩子也能夠無限放大，繩子上面出現(xiàn)的褶皺就會(huì)無限多。因此得出，繩子的長(zhǎng)度是無限長(zhǎng)的。
所以說，這根繩子是無限長(zhǎng)的？
當(dāng)看到這里時(shí)，艾倫和我們的腦子一樣，已經(jīng)全部都是問號(hào)。
當(dāng)然這只是數(shù)學(xué)的假設(shè)。截至目前，這根繩子的長(zhǎng)度仍然是319.442毫米?，F(xiàn)在的測(cè)量單位是毫米，如果能夠用盡可能小的測(cè)量單位去測(cè)量這根繩子，會(huì)不會(huì)測(cè)量出新的長(zhǎng)度。用什么測(cè)量單位，微米，還是納米？
最終，艾倫決定用“原子”來測(cè)量這根繩子。
艾倫找到了物理老師貝基蘭頓，希望能測(cè)量出這根繩子有多少個(gè)原子長(zhǎng)。
沒想到的是，當(dāng)你想用原子的精細(xì)度去測(cè)量這根繩子的時(shí)候，一切都變得不一樣了。
首先，在量子世界中，每個(gè)粒子可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)甚至多個(gè)不同的地方。雖然聽上去有些荒唐，但這就是量子力學(xué)世界中真實(shí)存在的。
這也就意味著，繩子中的粒子位置是不確定的，所以你永遠(yuǎn)不知道繩子兩頭的端點(diǎn)到底在哪里。
為了證實(shí)粒子可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方，艾倫來到了倫敦帝國(guó)理工學(xué)院，再次用圍繞在我們身邊的東西“光”說明這一現(xiàn)象。
當(dāng)激光穿過一個(gè)有兩條細(xì)縫的板子時(shí)，會(huì)在墻上投影出條紋一樣的光帶。因?yàn)楣馐且环N波，光波通過兩條細(xì)縫時(shí)，會(huì)變成兩組光波，光波會(huì)彼此干擾，相互疊加的部分產(chǎn)生明亮的光帶，相互抵消的部分只有陰影，這叫干涉圖像。這個(gè)圖像想要說明的是，光會(huì)在同一時(shí)間穿過兩個(gè)細(xì)縫。
如果將光換成單個(gè)的粒子，每次只發(fā)射一粒光子穿過有兩條細(xì)縫的板子，神奇的事情發(fā)生了。當(dāng)把多次發(fā)射后墻上投影出來的圖案放在一起時(shí)，同樣出了條紋一樣的光帶。
如果要出現(xiàn)這樣條紋一樣的光帶，光子必須同時(shí)通過兩條裂縫才行才能產(chǎn)生干涉圖像，也就是說一粒光子同時(shí)出現(xiàn)在了兩個(gè)地方。
回到測(cè)量繩子的問題上，對(duì)于宏觀世界的物體，位置是有意義的。但是在量子世界，繩子中的粒子會(huì)同時(shí)在好幾個(gè)地方，也就是說繩子同時(shí)會(huì)有很多不同的長(zhǎng)度。
又或者說，繩子實(shí)際上是不具有長(zhǎng)度的，直到通過某種方式去測(cè)量時(shí)，長(zhǎng)度才被創(chuàng)造出來了。從某種程度上來說，除非我們觀察這根繩子，否則這根繩子甚至是不存在的，是觀察的行為讓事物變得真實(shí)。
到此，艾倫已經(jīng)被徹底搞糊涂了。
難道319.442毫米就是這根繩子所能測(cè)量出來的最高精度？
顯然不是，雖然量子力學(xué)中有不確定的特性，但仍然是測(cè)量長(zhǎng)度的最好方法。
通過計(jì)算光波行進(jìn)的路程，就可以把繩子長(zhǎng)度的精確到百萬分之一米。如果使用將光波的波長(zhǎng)壓縮到一半，測(cè)量的精度就可以提升一倍。只要把足夠多的能量放進(jìn)光子，提升波長(zhǎng)的頻率，幾乎可以實(shí)現(xiàn)繩子長(zhǎng)度的任意精度。
但是毫無疑問，這個(gè)精度的盡頭是哪里，總會(huì)一個(gè)問題在等著我們。
光子上下擺動(dòng)的速度越快，光子就要得到越多的能量。但是愛因斯坦告訴我們，能量產(chǎn)生重力，重力是有極限的，一旦超過極限，或許會(huì)產(chǎn)生黑洞。
到此，艾倫繩子長(zhǎng)度測(cè)量的探索之旅就結(jié)束了。
數(shù)學(xué)家告訴我們，這根繩子的長(zhǎng)度是無限長(zhǎng)的，物理學(xué)家告訴我們，這根繩子同時(shí)有多個(gè)長(zhǎng)度，或者沒有長(zhǎng)度。
或許我們一開始以為，這趟旅程只不過是找一些科學(xué)家，將這根繩子放在各種先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器上，只需片刻，就能測(cè)量出不同精度的長(zhǎng)度，并不非花費(fèi)太長(zhǎng)的時(shí)間和太多的精力。
但事實(shí)上，測(cè)量繩子長(zhǎng)度這件小事，想要追求極致的精確計(jì)算卻極其困難，甚至做不到。所有的度量單位，不過只是近似于真正的標(biāo)準(zhǔn)值而已。
我們追求極致的過程，其實(shí)已經(jīng)成為了一個(gè)哲學(xué)旅程。
至于我們最初的問題，這根繩子有多長(zhǎng)？好像已經(jīng)不那么重要了。
五金店老板量出的長(zhǎng)度，32厘米，不就很好嘛。
如果你想要了解到關(guān)于這趟繩子長(zhǎng)度探索之旅更多的細(xì)節(jié)，歡迎點(diǎn)擊下面的鏈接，觀看這部紀(jì)錄片。
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