物理學家在量子力學中發現圓周率π的計算公式

2021-01-10 火星科普
圓周率π

圓周率π是圓的周長和其直徑的比值,這是一個常數,在數學中是非常重要的。這個數是一個無理數,也就說是一個無盡不循環的小數,大約為3.14159……,後面有無數個小數位,永遠也寫不盡。經過數千年的努力,人類已經能夠計算出相當精確的圓周率數值。它的計算公式有很多種,可以用無窮級數來表示,比如數學家萊布尼茨發現的計算圓周率公式:

萊布尼茨發現的計算圓周率公式

再比如,數學家拉馬努金髮現的計算圓周率公式:

拉馬努金髮現的計算圓周率公式

此外,還有數學家沃利斯在1655年發現的沃利斯乘積:

沃利斯發現的計算圓周率公式

而在2015年,物理學家發現,上述於17世紀發現的經典圓周率公式也隱藏在量子物理世界中。這令物理學家興奮不已,因為它揭示了量子物理學和數學之間存在不可思議的特殊聯繫。物理學家完全沒有想到,早在360年前發現的純數學公式竟能描述一個現代物理系統。

氫原子能級

這個發現與氫原子的能級有關。由於精確算出氫原子的能級是不現實的,於是,物理學家Carl Hagen使用變分原理來估算氫原子的能級。在把這些數值與常規計算法進行比較時,他發現比率中出現了一個不尋常的趨勢。很快他意識到,這實際上是計算圓周率的沃利斯乘積的一種表現,這是第一次從物理學中得到圓周率公式,十分意外的結果。

氫原子

對此,數學家Kevin Knudson表示,在氫原子的量子力學方程中竟然隱藏著圓周率的公式,這十分不可思議。大自然在過去的80年裡一直保守著這個秘密,現在終於被揭開了。這不禁令人好奇,在量子力學和純數學之間是否還隱藏著其他的秘密聯繫呢?

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  • 圓周率的涵義你知多少(二):π與量子力學
    這個公式拉開了量子力學研究的序幕。上面為以能量密度頻譜形式表示的普朗克定律。由於篇幅所限,這裡不便解釋公式及其符號具體含義,目的只在於是了解公式中圓周率π的呈現。普朗克常數基於上述普朗克在研究物體熱輻射的規律的發現,只有假定電磁波的發射和吸收不是連續的,而是一丁點一丁點地進行的,計算的結果才能和實驗結果相符。
  • 圓周率π,不得不說的一個數
    圓周率與圓周率的計算+圓周率簡介圓周率π(Ratio of circumference to diameter;Pi)是圓的周長與直徑的比值,一般用希臘字母π表示,是一個在數學及物理學中普遍存在的數學常數。π也等於圓形之面積與半徑平方之比。是精確計算圓周長、圓面積、球體積等幾何形狀的關鍵值。
  • 為什麼我們總是在計算圓周率π?因為沒有最快,只有更快!
    他利用這類公式把圓周率計算到了小數點後707位,這個也是人工計算圓周率取得的最高紀錄。不過可惜的是,後人檢查他的計算結果,發現第528位是錯誤的,所以在528位之後的結果就都是錯誤的了。秦九韶算法原理 轉自維基百科拉馬努金公式雖然說梅欽公式的極大得改進了求π的進程,但是如果我們想計算千萬位圓周率數字,梅欽公式就顯得力不從心了。
  • 追尋蘊藏在圓周率 π 之中的無限美麗
    再後來 1882 年,德國數學家費迪南德·馮·林德曼證明了 π 是一個超越數,即不是任意整係數代數多項式的根。現在人們可以肯定地說 π 是超越數,因為數學家金田康正(Yasumasa Kanada)發現圓周率的前面萬億個數字在統計學上是隨機的。如果你查看下表,你會發現每個數字發生的事件是獨立的,發生的概率約是十分之一。
  • 走進圓周率,π這個神秘數字,或許隱藏著一個終極密碼
    圓周率用π表示,是一個常數(約等於3.141592654),是代表圓周長和直徑的比值。我們上學的時候,都知道它是一個無理數,也就是無限不循環的小數。在日常生活中,通常都用3.14代表圓周率去進行近似計算。而用十位小數3.141592654便足以應付一般計算。
  • 為什麼說使用圓周率π可能是一個巨大的錯誤?
    當然,這並不是說圓周率的具體數值算錯了,也不是說圓周率不是無理數和超越數。根據猶他谷大學數學系系主任Bob Palais教授,應該用2π(記作τ)來作為圓周率更合適。對於任意一個圓,它的周長和直徑的比值始終是一個相等的常數,這個常數就被定義為圓周率π,其大小約為3.14。
  • 圓周率已被計算到31.4萬億位,是什麼原因,讓科學家如此執著
    圓周率是圓的周長與直徑的比值,一般用π表示,為無限不循環小數,是物理學和數學中普遍出現的常數。對於中小學生來說π=3.14基本可以完成計算,就算是工程師和物理學家在精密計算時,也只需要小數點後幾百個位,那為什麼科學家會如此執著地繼續計算圓周率呢?
  • 圓周率π已被計算到了31.4萬億位,繼續計算下去有何意義?
    說到圓周率π,相信大多數人想到的就是可以用來計算圓的周長和面積,是數學及物理學中存在的數學常數。通俗意義上來理解圓周率,它就是圓的周長與直徑的比值或者圓面積與半徑平方的比值。圓周率π作為一個無理數(無線不循環小數),在日常實際生活中,通常只用到近似值3.14進行計算,只有科學家們為了精確計算才會用到十位小數,甚至幾百位小數進行精確精算。在中國的古代,人們從實踐中就知道圓的周長是「圓徑一而周三有餘」,意思是說圓直徑的三倍多等於圓的周長,三倍多要多多少,成了一個非常難的研究課題。中國古代的數學家劉徽使用「割圓術」,計算到圓周率到小數點的後四位。
  • 圓周率π的旅程:從1位到31萬億位
    圓周率π是人們熟知的數字,同時也是人類所知的第一個無理數。圓周率(Pi)是圓的周長與直徑的比值,一般用希臘字母π表示,是一個在數學及物理學中普遍存在的數學常數。但這個數字來的並不容易,上古時期,古文明中國從青銅時代就開始計算圓周率。
  • 數學界有5個神奇的數字,除了黃金分割和圓周率,剩下3個是什麼?
    自然底數e自然底數e的值約為2.718281,提起它就容易讓人想到歐拉公式,公式中就有自然底數e,不過歐拉本人並不是自然底數的發現者,第一個發現它的人是瑞士數學家雅各布,出身於伯努利家族,他的弟弟是歐拉的老師。自然底數e的發現和等角螺旋線有關,笛卡爾最早用了解析幾何的方法,闡述了等角螺旋線。歐拉本人也研究過,雅各布更是全身心地投入研究。
  • 天文學家想破頭的物理定律AI輕鬆解決 未來或揭開量子力學之謎
    這一壯舉是對一項技術的首次測試,研究人員希望他們能夠利用這項技術發現新的物理定律,或許還能通過在大數據集中發現模式來重新構建量子力學。研究結果將發表在《物理評論》上。蘇黎世瑞士聯邦理工學院(ETH)的物理學家Renato Renner和他的合作者想要設計一種算法,可以將大量數據集分解為幾個基本公式,從而模仿物理學家提出諸如E = mc2的簡潔方程式。
  • 有關圓周率π,你不知道的n個事實
    不過,此時的π估計還是欠些火候,並沒有引起數學界太大的關注,直至遇到歐拉。1748年,歐拉的代表作《無窮小分析引論》出版,在這本著作裡,歐拉建議用符號「π」來表示圓周率,並且直接在裡面使用了π。在歐拉的積極倡導下,π終於成為了圓周率的代名詞。
  • 數學中最優美的公式——歐拉公式,這是一個越看越美的公式!
    歐拉公式是數學中當之無愧的最美公式,公式中包含著深刻的數學思想,也隱含了宇宙的哲學原理,其形式相當優美和迷人。e^iπ+1=0這個恆等式叫做歐拉公式,最早是由瑞士數學家萊昂哈德·歐拉在1740年發現,高斯曾說:「如果一個人第一次看到這個公式而不感受到它的魅力,那麼他不可能成為數學家。」
  • 《新民周刊》量子力學到底是什麼?
    但它實際上早就在我們的生活中有著廣泛的應用。記者|陳 冰1935年的一隻貓,足足橫行了科學圈幾十年,還成了科學史上的四大神獸之一。槓精、著名物理學家薛丁格本來想諷刺一把量子力學,可命運弄人,他的貓卻成了量子力學最致命的代言人。這隻既生又死的貓到底是何方神聖?今天,就讓我們來揭開它的神秘面紗。
  • 圓周率真就像宇宙一樣沒有盡頭嗎?數學家說出了「實情」
    圓周率真就像宇宙一樣沒有盡頭嗎?數學家說出了「實情」3.1415926這個大家都很熟悉,小時候數學課講π,說它是由中國南北朝時期的數學家——祖衝之算出了小數點後7位,其實最早產生於四大文明古國之一的巴比倫人,而且當時建築的胡夫金字塔也運用了圓周率。
  • 圓周率如果算盡,是否意味著最小的單位被計算出來了?
    圓周率在數學邏輯上不可能被算盡。因為圓周率已經得到嚴密的數學推理,它是無限不循環的無理數。其實無理數永遠都是數學邏輯上的形式。比如一個尺子的長度是多少?你永遠可以精細化計算。但是這種精細化計算在物理學有個底線,那就是普朗克長度。
  • 「圓」來如此——關於圓周率 π的36 個有趣事實
    ▌1在所有數學符號之中,圓周率 π 也許是最神秘、最吸引人的了,數學家通常認為 π 是數學中最為重要且最為有趣的常數。▌2π 是希臘語「周長」(περμετρο)的開頭字母。在數學中符號 π 代表圓周長與其直徑的比值。換句話說,π 就是把圓的直徑擴張成其周長所需要的倍數。
  • 10本理科生必讀的宇宙和量子力學科普書籍
    書中沒有複雜的數學公式,用最淺顯易懂的語言,描述了諸多問題。譬如慣性,引力,狹義相對論,廣義相對論,量子糾纏,時間,物質等問題。是一本極具啟發力和創造力的科普書籍。《變化》為宇宙物理科普基礎讀物,內容豐富、敘述生動、插圖精彩。更關鍵的是該書在現有物理基礎上,有非常大的啟發性拓展。對於最基本的問題,引力,慣性,相對論,光速,時空都有獨到的看法。
  • 圓周率已經算到10萬億位了,繼續算下去有什麼意義?
    可就是這樣一個數,卻掀起了人類對它的計算狂潮,超級計算機已經將它算到10萬億位了,許多人也把背誦圓周率當成是一種特長,但既然已經知道它是無限不循環,計算圓周率有什麼意義呢?計算機領域的應用圓周率π在計算機領域是一把標尺,用於檢驗計算機性能。
  • 歐拉——數學界的英雄:歐拉公式為何被稱為世界上最優美的公式?
    他對數學的直覺與掌控是無與倫比的,一個優美的歐拉公式被評為世界上最完美的公式,在數學界基本上是沒有公式能與之媲美的了。如果非要找的話,物理界的質能方程E=mc^2和麥克斯韋方程組或許能與之相媲美。e=2.718128182…自然對數,代表了大自然的優美。π=3.1415926535…圓周率,代表了時空的無限。i=√-1,虛數單位,代表了人類的想像。