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【转载】陆元鸿博文
数学中那些不可思议的大数
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luyuanhong 发表于 2024-7-5 17:03
数学中那些不可思议的大数
原创 科学季风 科学季风 2024年06月01日 22:43 广东
我们在生活中,经常会听到“天文数字”这个说法,用来指那些非常大的数字。这是因为宇宙非常广袤浩瀚,天文学研究中涉及的数一般都很大。比如一般在天文学中用光年来表示距离,也就是光在一年的时间内走过的距离。我们知道,光速是每秒约 30 万公里,那么 1 光年的距离大约是 365×24×60×60×300000 = 9,460,800,000,000 公里,即 9.46 万亿公里。银河的直径约为 10 万光年,而目前可观测宇宙的直径约为 930 亿光年。
天文学研究中涉及到那些数字无疑是很大了,但是跟数学中的大数相比,那些天文数字就不足道了。
数学中比较常见的一个大数叫古戈尔(googol)。1 古戈尔等于10^100,即 1 后面跟 100 个 0 ,写出来就是:
10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 。
看起来它似乎并不是很大,写出来才几行。但是,要知道,科学家对当前可观测宇宙中所有原子的数量的估计值才是 10^80 ,比起古戈尔来,小了 20 个数量级,也就是古戈尔的 100 万万亿分之一。即使我们把可观测宇宙中的所有物质全部清空,然后用沙子再把它全部填满,沙粒之间不留空隙,这样下来,宇宙中能装下的全部沙子的总数为 10^95 ,所以可以说 1 古戈尔粒沙子足够填满 10 万个宇宙。
虽然天文学中的数据似乎都比古戈尔小了很多,但有一个和宇宙相关的数字比较接近古戈尔。根据英国物理学家霍金提出的理论,黑洞会通过一种被命名为“霍金辐射”的方式损失质量和能量。一个质量为太阳质量 100 亿倍的超级黑洞,经过 1 古戈尔年后,将会辐射掉其所有质量。那个时候,整个宇宙不再有热动力学意义上的自由能量,达到了一种被物理学家称为“热寂(heat death)”的状态。从这个角度来说,宇宙的寿命似乎就是 1 古戈尔年。
古戈尔是由美国数学家爱德华•卡森纳(Edward Kasner)在 1920 年提出来的,古戈尔这个名字据说是当时卡森纳九岁的外甥起的。卡尔森把古戈尔写入了他 1940 出版的一部作品《数学和想象》,从此古戈尔便成为一个常用的数学常数。著名的科技公司谷歌(Google)在创立之初,其创始人在为公司命名时就是从古戈尔这个常数获得了灵感,他们想通过这样的一个名字传递出谷歌公司对海量的互联网信息的处理能力。
爱德华•卡森纳在定义古戈尔时,进一步定义了一个更大的数:古戈尔普勒克斯(Googolplex),1 古戈尔普勒克斯等于 10 的古戈尔次方:10^googol ,即 1后面跟 1 古戈尔个 0 。1 古戈尔这个数字可以用区区几行就写完,但是如果要把 1 古戈尔普勒克斯写出来,就没那么容易了。因为它有 10^100 个 0 ,如果把 0 写得跟沙子大小差不多,那么把整个可观测的宇宙用来装这些 0 ,塞得满满的,也只能装下十万分之一的 0 。有意思的是,谷歌公司的总部园区就叫谷歌普勒克斯(Googleplex)。
古戈尔普勒克斯虽然大得超乎想象,但是它并未在数学定理的描述或证明中派上用场。另外有一些大数在数学研究和证明的过程中实实在在的发挥了作用,并且它们比古戈尔普勒克斯还要大得多。格雷厄姆数(Graham's number)就是其中一个。
(以下略) |
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