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圓周率能算盡嗎?普朗克長度表明不能無限分割,圓周長是如此嗎?

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這個問題很有意思,先說第一個問題的答案:圓周率是算不盡的,并且與幾進(jìn)制無關(guān)。



圓周率的來歷及特征介紹

圓周率π在數(shù)學(xué)上叫無限不循環(huán)小數(shù),又叫無理數(shù),這樣的數(shù)有無限個,像我們熟悉的√2、√3、√5等等都是無理數(shù),它們的位數(shù)都是無限的。最初是因為圓使我們認(rèn)識了π,π是圓周長與直徑的比值,這個比值是個除不盡的常數(shù)。
人們?yōu)榱说玫骄_的數(shù)值,用不同的方法進(jìn)行計算,最早在古代人們用割圓術(shù),即作圓的內(nèi)接多邊形和外接多邊形,然后一直把邊數(shù)翻倍,使得邊周長不斷逼近圓周長,以此求得的圓周率的上下限無限接近圓周率的精確值。不要把π看的太神秘,每個無理數(shù)的背后都對應(yīng)著某些幾何圖形,比如說正方形的對角線的長度就是其邊長的√2倍,如果取邊長為1,那對角線的長度就為√2。再比如說60度直角三角形中,60度對的直角邊與另一個直角邊的比值就為√3,等等。這是因為無理數(shù)和有理數(shù)一樣,是非常普遍的。圓周率π唯一特殊的地方就是它還是一個超越數(shù)。所謂超越數(shù)就是π不可能是任何整系數(shù)多項式的根。圓周率的超越性否定了“化圓為方”這古老尺規(guī)作圖問題的可能性,因所有尺規(guī)作圖法只能得出代數(shù)數(shù),而得不出超越數(shù)。這就是我們將要回答的第二個問題涉及的問題。

關(guān)于第二個問題和數(shù)學(xué)上的一些特征

在答題區(qū)我發(fā)現(xiàn)好些人把第二個問題理解成周長是否像圓周率那樣也是無理數(shù)而算不盡的問題,實際上是理解錯了,題主的意思應(yīng)該是:因為圓周率是通過不斷割圓的周長來取得精確值的,但普朗克長度是最小的長度,不能再對它進(jìn)行分割,那割圓術(shù)把圓周長如割到小于普朗克長度時是否也不能再割?



德國科學(xué)家普朗克――量子力學(xué)創(chuàng)始人之一

普朗克長度是在量子力學(xué)中認(rèn)為的物理現(xiàn)實中最小長度單位,其大小為1.616229(38)x10^-35米,量子力學(xué)認(rèn)為任何小于普朗克長度的距離都是沒有意義的。因此它們認(rèn)為物質(zhì)不能無限可分。不過無論物質(zhì)到底能不能無限可分,在數(shù)學(xué)上都是能夠無限分下去的。數(shù)學(xué)上無限的東西太多了,也允許無限的存在,比如說整數(shù)是無限的、自然數(shù)是無限的、小數(shù)是無限的、奇數(shù)是無限的等等等等,這么多的無限是因為數(shù)學(xué)是對現(xiàn)實的抽象,所謂的點線面體不過是對現(xiàn)實事物的概念化,在數(shù)學(xué)中一個點可以無限小、一條線由無數(shù)個點組成,無數(shù)條線組成一個面、這個面無限薄,無限個面組成一個立體,但在現(xiàn)實中是不存在無限小的點、沒有厚度(無限薄)的面,因此數(shù)學(xué)和現(xiàn)實不是一回事兒。

第二個問題的解答

一,那圓的周長在現(xiàn)實中沒法分下去,這是因為:

1,割圓術(shù)在實踐上越來越難,幾何法時期早已過去。

自從古希臘的阿基米德開始,到我國公元263年的劉徽,用割圓術(shù)到了3072邊形,圓周率精確到小數(shù)點后三位,劉徽說“割之彌細(xì),所失彌少,割之又割,以至于不可割,則與圓周合體而無所失矣。”包含了求極限的思想。再到南北朝的祖沖之精確到小數(shù)點后7位,



最后直到1610年德國數(shù)學(xué)家魯?shù)婪蛴嬎愕叫?shù)點后35位止,幾何法越來越難,用不著到普朗克長度,在實踐上也無法操作,每增加一倍邊數(shù),計算量就是以前所有工作的兩倍。

2,普朗克長度的限制。

即使在實踐上能夠操作,但邊長長度真到了普朗克長度,如果真像量子力學(xué)認(rèn)為的,在實踐中沒有小于普朗克長度的東西,到了那時自然也就無法分下去。

3,超越數(shù)的特點

數(shù)學(xué)不但有無限,還有極限,像微積分就是極限的體現(xiàn),什么化曲為直、化圓為方、曲直轉(zhuǎn)化、不變代變,什么積分是微分的無限積累,還有在割圓術(shù)中劉徽的極限思想,這些思想當(dāng)然都超越了普朗克長度的限制,但是圓周率π卻是個超越數(shù),上面說過圓周率的超越性否定了“化圓為方”這古老尺規(guī)作圖問題的可能性,因所有尺規(guī)作圖法只能得出代數(shù)數(shù),而得不出超越數(shù)。也就是說劉徽“化圓為方”的極限思想和他的尺規(guī)作圖方法是不適用于無限分割圓周長的。

二,π在數(shù)學(xué)上的分割或計算根本不理會普朗克長度

前面說過,數(shù)學(xué)是抽象化的,它才不管什么普朗克長度限制來。在分割圓求圓周率的問題上,十七世紀(jì)以后人們用分析法來求π,一般用無窮級數(shù)或無窮連乘積求π,梅欽(英國數(shù)學(xué)家梅欽1706年推出第一個公式)類公式,五花八門,但這種方法雖然擺脫割圓法的繁復(fù)計算,但仍屬人工計算,到1948年英國的弗格森和美國的倫奇共同發(fā)表了π小數(shù)點后808位小數(shù)值,這是人工計算的最高紀(jì)錄。



1949年計算機(jī)的出現(xiàn)使π值計算進(jìn)入突飛猛進(jìn)地步,第一臺電腦只用了70個小時就把π值計算到了2037位,以后紀(jì)錄不斷被刷新,計算公式也不斷更新,2011年日本人近藤茂利利用家中電腦和云計算把π計算到了10萬億位。剛剛2019年3月14日(國際圓周率日)谷歌日本女員工Emma Haruka Lwao將圓周率π算到31萬億位。
雖然離普朗克長度對應(yīng)的位數(shù)還有幾個數(shù)量級,但將來肯定會輕松超越。普朗克長度是為呼應(yīng)量子力學(xué)的量子化而出現(xiàn)的,它對應(yīng)的是普朗克質(zhì)量的黑洞所對應(yīng)的史瓦西半徑,與康普頓波長相當(dāng),它主要是在測量方面的影響,與純抽象的數(shù)學(xué)運算無關(guān)。總之在數(shù)學(xué)上圓的周長可以無限分割,而不必考慮普朗克長度,也不必考慮超越數(shù)限制,因為你永遠(yuǎn)不會得到圓周率π的精確值,又何必在乎能不能畫出精確圓來,π的位數(shù)已經(jīng)達(dá)到幾十萬億位了,這個精度足夠了,早已超越最精確的誤差!!

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