想理解无限?从千层酥开始。

节选:超越无限
yellow book cover for beyond infinity with seemingly infinite doors
超越无限,作者:Eugenia Cheng,Basic Books 出版社

以下为《超越无限》一书的节选,作者:Eugenia Cheng。

我几乎可以肯定,我永远不会登上珠穆朗玛峰顶。我会乐观地为“传送”的可能性留有余地,但除此之外,我确定我永远不会去。我也几乎可以肯定永远不会去南极点。我不认识任何爬过珠穆朗玛峰的人,但我认识一位在南极点工作的天体物理学家。我知道,即使是乘飞机,南极点也难以到达,但它仍然只有有限的距离。我知道珠穆朗玛峰的高度也是有限的。但对我来说,它们两者都可以说是无限遥远,因为我永远不会去那里。

无限是存在的,但我们能到达那里吗?我们能做无限多件事情吗,也许如果我们做得无限小?在我们真正思考如何理解这一点之前,我们将先思考那些似乎变得非常大、近乎无限的事物,以及我们似乎在做无限事情的时刻。

有一个关于棋盘上大米的古老难题。故事是这样的:一个人要求在棋盘的第一个格子放一粒米,第二个格子放两粒,第三个格子放四粒,以此类推,直到棋盘放满。问题是:他最终会得到多少大米?简短的答案是:相当多。但究竟有多少呢?

原则上,这不是一个困难的问题,因为你只需要不断乘以 2 并将所有答案相加,直到你做完所有 64 个格子。但是,如果你这样做,你会发现数字增长得异常快,远超你的计算器甚至你的电脑在正常设置下能处理的范围(除非你有一些特殊的计算工具)。有一个加快计算的技巧,但你最终还是必须处理一个非常非常大的数字:18,446,744,073,709,551,615 粒大米。

当然,我们通常不用粒来衡量大米,除非是在听起来很荒谬的数学题中。(我第一次听到这个问题是在数学课上,并试图手动算出答案。我错了。)那么,这在实际意义上是多少大米呢?我刚试着称了 1 克大米,然后数了数里面的粒数,大约是 50 粒。所以我们可以进行这个粗略的近似计算:

  • 1 克 = 50 粒大米
  • 1 碗 = 100 克 = 5000 粒
  • 1 人 = 每天 4 碗米饭 = 20,000 粒
  • 全世界 = 70 亿人 = 140,000,000,000,000 粒
  • 1 年 = 大约 500 天 = 70,000,000,000,000,000 粒

这数字末尾有 16 个零。我们得到的大米数量是 18,446,744,073,709,551,615 粒,大约是 2 后面跟 19 个零:比我们上面计算的多 3 个零,大约是 1000 倍。所以看起来我们可以养活世界人口大约 1000 年。(没有考虑到,按照我们目前的发展速度,世界人口每年都在大幅增长。)我的计算非常粗糙,但给了个大概的想法:仅仅通过在棋盘上移动时对数量进行一些无害的加倍,你很快就能得到一个不可能的数量的大米,比目前世界上存在的大米还要多。

千层酥(Puff pastry)依靠相同的原理,即重复的乘法会使事物增长得非常快。千层酥有数量惊人的微小层次,它们是通过将面团折叠三次、重复六次而制成的。开始时,面团中夹着一层厚厚的黄油,其稠度恰到好处,当你擀开它时,黄油会整齐地压平在其夹层中。然后你将其折叠三次,形成六层,然后冷藏,使层次保持坚固,不会开始融合在一起。然后你将其擀开,折叠三次,再次冷藏。你这样做六次。不断乘以三使得层次的数量增长得非常快,然后当你烘烤酥皮时,薄薄的黄油层会融化,黄油的液体部分会蒸发并产生蒸汽,这会将层次推开,因此你可以看到酥皮在烤箱中物理地膨胀,而不仅仅是数字上的抽象增长。

这是我最喜欢的指数增长演示。非正式地说,人们说事物呈指数增长只是为了表示它们增长了很多,这在某种程度上是正确的,但其正式的数学含义是它们以始终相同的比例速率增长。如果我第一次将千层酥折叠三次,然后四次,然后五次,然后六次,那么层次的数量会增长得更快,但那就不是指数增长了,因为乘法速率在变化。

我喜欢指数增长直接转化为千层酥美味的事实。多层次的酥皮不仅引人注目和美丽,而且薄得可以在口中细腻地融化。千层酥以制作困难而闻名,但我认为其方法的巧妙之处在于,使用指数增长实际上使制作那些极其薄的酥皮层变得相当容易。毕竟,单独擀出如此薄的层次会非常困难。而数学的全部意义应该是让困难的事情变得容易。

不幸的是,它常常被视为凭空制造困难事物的手段。

节选自 Eugenia Cheng 的《超越无限》,Basic Books 出版社出版,2017 年 3 月。经许可发布。

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