现实世界中,人能做出无限多的东西和物吗?
让我们来看看我们在课本上学到了什么。无限的概念是普遍的。例如,π是一个无限循环数。例如,1除以3的结果是一个无限循环数。但是这些无穷大的概念在教科书上是存在的。现实世界中,有没有可以创造的无限?如果是,这些无限概念在现实中有什么现实意义?
在回答这个问题之前,我们首先要回到数学,了解无穷的概念。在数学中,无穷大的符号是∞,一个横8,表示无穷大,或者无穷大有边界。
无穷是指数是无限的,而无穷有边界是指数是无限的,但不会超出一个边界。比如π的值是3.14……小数点后是无穷大,但永远不会超过3.15,这是边界。
回到题目中的鞭笞,既然设置了,无论如何都避免不了...现在,如果你手边刚好有一张纸、一支笔和一把尺子,请把它们准备好。接下来我们来操作一下如何在现实中创造无限!
请尽可能随意在纸上画一条直线。注意我们说的是现实,所以这不是一条可以无限长的直线。它是一条真实的线段,它有一个长度。你画完了吗?如果做完了,现在拿出尺子量一下它的长度。
测量结果根据你的图纸长度不同而不同,总有一个确定的数字,比如10cm。不过,还是精确一点吧。这条线段不是直的,即使你用尺子画也不是绝对直的,所以我们要更精确地测量这条线段的一些细微弯曲。
为了测量方便,我们可以把它拍下来,放大后打印出来,这样线段中以前没有发现的弯就会被放大。然后,再测量一遍,你会发现随着弯曲的长度,这条线段变长了,大于10cm。
可能有些聪明的朋友已经意识到问题了。如果一直这样放大,总会发现一些以前没有发现的弯道。每次测量都会比原来大10cm,最终导致放大越大,长度越长,理论上可以达到无限长。
这是什么鬼东西?明明只是在纸上画一条线段,线段有多长就有多长,怎么可能无限长?在这个过程中,时间是一定的,画这条线段不到一秒钟,或者几秒钟;消耗的能量是一定的。画一条线段能看出大天空能不能消耗一个馒头的能量吗?而且用的墨水也是一定的。一条线段可以用多少墨水?毕竟,笔芯中的墨水总量就在那里。
时间、能量、物质都是确定的,都有一个有上限的定值。为什么画出来的线其实是无限长的?这样,完全不符合物质能量守恒定律。在有限的前提条件下,如何产生无限的结果?真正的原因是什么?
其实这个问题很久以前就被数学家们保密了,心照不宣地统一到体系之外,无人过问,因为这个问题在现实世界中随处可见,最著名的就是测量海岸线的长度。就像本文中的测线长度一样,一个国家的海岸线无论有多长,都应该有一个固定的值。毕竟我们实际居住的土地面积有多大,海岸线有多长,面积就有多大。
但现实情况是,当海岸线不断扩大时,其长度变得越来越长,并趋于无穷大。类似的例子还有很多,比如脊线,窗帘上的图案等等。所有不规则图形都有这个令人困惑的长度问题。
这个问题在数学上叫分形几何或者分维,网上有专业的解释。在这里谈专业太无聊了。让我们从另一个角度简单容易地找出这个问题。
首先,我们生活的世界是一个三维的世界,也就是说,这个世界上的一切都是三维的。无论形状是否规则,它都有一个三维数据。简单来说,每个物体都有自己的长、宽、高数据,指的是物体的三维。如果缺少这三个数据中的任何一个,那么这个对象就不是三维的。比如只有它的长和宽或者只有它的长和高,它就只能是二维平面。
我们在纸上画的这条线段是二维的,三维的,还是一维的?在搞数学理论的时候,我们会把线段和直线看成一维的,但实际上这个线段是由涂在纸上的墨水组成的。墨水是有质量和体积的真实物质,所以这条线段在现实中也是三维的,有自己的长、宽、高三维数据。
这条线段可以近似为一个长方体。我们看到的是它的上表面,由它的长度和宽度组成。它还有厚度,也可以叫高度。高度虽小,却实实在在存在。
那么我们每一次放大测量这个不规则的长方体线段,其实都可以把它看成是对其表面积的一次次细分。更极端的方法是把这个面分成线条。我们小学曾经学过,无穷多个点形成线,无穷多条线形成面。分形几何实际上是把这个过程反过来,把一个面一步步放大,再细分成无数条线。
放大的曲面凹凸部分可视为较小的曲面。当这些更小的表面继续放大时,它们总是在放大,最后它们无限接近线条。我们的测量值之所以有无穷大的长度,其实就是在测量这些近乎无穷大的线的附加长度。
一个曲面由多少条线组成?无数条线,因为线没有宽度,只有长度,我们在一次又一次的放大过程中测量这些长度,所以最后会有无穷多条。说白了就是用小刀把一个面积固定的面切割成无数条线段,然后把这无数条线段的长度加起来。
当一张脸一分为二,然后测量所有线条的长度,会发现比原来脸的周长还要长。在划分的过程中,每个刻面的宽度实际上是无限缩小的。当刻面最终无限接近直线时,宽度无限接近0。
比如面积是10;长度为10时,宽度为1;当长度为20时,宽度为0.5,长度为10,000,宽度为0.001...我们只测量长度,所以面积没有变,物质和能量也没有变,只是长度和宽度两个变量的大小变了。
分形几何仍有许多实际应用,如误差的限制,以及它对流体动力学不稳定性、光学双稳态器件和化学冲击反射等实验的巨大贡献。
好了,分形的数学原理到此为止。这个头条致力于让复杂的科学变得通俗易懂,用大家都能理解的方式分享一些科学干货知识。如果这篇文章对你有一点帮助,或者为你解决了一点困惑,请留言转发。
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