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圓周率有盡頭嗎?愛因斯坦:在宇宙中,圓周率有可能被算盡

很多人對數(shù)學的第一印象,往往就是以上這組數(shù)字,它被稱為圓周率,符號π,是數(shù)學中非常重要的一個常數(shù),物理學很多公式中都有π的身影,而且不論多大的圓,它的周長與直徑的比值都是π。

和圓息息相關的π,同時也是很多人第一個接觸到的無理數(shù),即無限不循環(huán)小數(shù),具體介于3.1415926到3.1415927之間。

在數(shù)學史上,古今中外的很多數(shù)學家都嘗試計算過圓周率,我國南北朝數(shù)學家祖沖之更是利用割圓術,第一次把圓周率精確到了小數(shù)點后7位,而相同的成績,西方要到千年之后才能實現(xiàn),所以說在古代相當長一段時間內(nèi),我國的數(shù)學其實也很強。

但割圓術本質(zhì)上屬于幾何法,每向小數(shù)點后逼近一位,都需多邊形的邊數(shù)變得更多才行,因此隨著數(shù)學的進步,比幾何法更好用的公式法開始出現(xiàn),比如無窮級數(shù)每次迭代都能得出好幾位數(shù)字,現(xiàn)代計算機用的也是這種辦法。

2021年的今天,圓周率的位數(shù)已經(jīng)達到了小數(shù)點后62.8萬億位,這一記錄由瑞士科學家們創(chuàng)造,他們讓超級計算機連續(xù)不停計算了108天零9個小時,最終短暫獲得了這一新的圓周率世界紀錄,之所以說短暫獲得,是因為現(xiàn)在還有其他的超級計算機在運行圓周率計算程序,只要時間夠長,62.8萬億位的記錄早晚也會被打破。

在研究和計算圓周率的路上,數(shù)學家們還發(fā)現(xiàn)圓周率不僅是一個無理數(shù),同時還是一個超越數(shù),意思就是說圓周率后每個數(shù)字出現(xiàn)的概率都是相等的,只要圓周率足夠長,那么我們每個人的出生日期,每個人的銀行卡號和身份證號,理論上都能在圓周率中查到。

但今天窮盡算力精確圓周率的過程,其實只是為了驗證超級計算機的性能,而不是真正要用到這么多位數(shù)的圓周率。

因為在日常生活中,圓周率一般只需要取小數(shù)點后2位或者3位就夠了,哪怕是以高精度著稱的航空航天領域,也只需要精確到小數(shù)后9位,利用小數(shù)點后39位圓周率計算出的宇宙周長,誤差不會超過一個氫原子半徑。

由以上事實不難看出,圓周率計算到今天,虛擬意義是遠超實際意義的,那么它有沒有可能在未來某天被算盡呢?

物理學家認為,一般情況下圓周率是不會被算完的,因為它關系到無理數(shù),而無理數(shù)關系到整個數(shù)學大廈和物理大廈,如果大廈基石之一的圓周率在未來被證明是有限小數(shù),那么人類文明花費幾百年構(gòu)建出的物理和數(shù)學大廈將轟然倒塌。

但既然有一般情況,那么就肯定有非一般的情況

目前的圓周率是以歐式幾何為基礎的,也就是平直空間,在這個空間內(nèi)三角形的內(nèi)角和是180°,圓周率π是無限不循環(huán)小數(shù)。

但根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論,我們的宇宙在大尺度上并不是平直的,而有可能是向上或者向下翹曲的球面和馬鞍面,一旦涉及到非平直空間,歐式幾何就不頂用了,因為球面內(nèi)的三角形內(nèi)角和肯定是小于180°的,馬鞍面上的三角形內(nèi)角和是大于180°的。

因此在相對論中擔任數(shù)學基礎的,是黎曼幾何這樣的非歐幾何,在更貼近現(xiàn)實宇宙的黎曼幾何中,小到原子大到恒星,任何具備靜止質(zhì)量的物體都會不同程度的扭曲時空,從而改變光的路徑,進而產(chǎn)生類似球面或者馬鞍面的翹曲。

一言蔽之,像黎曼幾何這樣的非歐幾何,由于基本定理不同,其內(nèi)的圓周率也大不相同,不存在無限不循環(huán)的情況,具體能不能算盡要看所在地點的時空彎曲程度。

數(shù)學作為不需要外部對照物的學科,很大程度上是對現(xiàn)實宇宙的近似描述而不是完全描述,因此在解決實際問題時,真正規(guī)規(guī)矩矩采用歐式幾何的情況反而很少見,通常都是一起上,哪個精確用哪個,就好像目前的航天器只需要考慮牛頓萬有引力,未來的近光速飛船卻得考慮到愛因斯坦相對論一樣。

總體來看

圓周率能否被算盡,只是局限于歐式幾何和歐式空間內(nèi)的問題,按照目前的計算方法肯定是算不盡的,但進入非歐空間后,圓周率的形式也會發(fā)生改變。

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