我想很多人都做過關於紙張對摺的實驗,拿手頭常用的A4紙,卯足了勁估計你也只能對摺5到6次。即使用非常薄的單片衛生紙,基本上超過7次也非常困難,有人想是不是紙張太小的緣故,限制了對摺的發揮。這不,在2011年的時候就有「興趣愛好者」們,拿了4000米長的衛生捲紙,窮其所能也只對摺了13次。有人說,如果能將一張紙對摺105次,整個宇宙就放不下了,是真的嗎?
指數級增長的魅力
估計有很多朋友聽過棋盤擺麥粒的故事。印度人西塔發明了西洋棋,國王決定重賞他,而西塔說不要貴重的賞賜,只需要國王在西洋棋的棋盤上賞一些麥粒就行,具體做法是在第1個格子裡放1粒麥子,在第二格放2粒,在第三格放4粒,在第四格放8粒,以此類推,下一格都是上一格的兩倍,直到放滿64格為止。國王心想,這也沒有多少呀,於是痛快地答應了。
誰曾想,在兌現的過程中,隨著格數的增加,所需要的麥粒越來越多,呈現跳躍性地飛速增長狀態,到第20格的時候就需要放100多萬粒了,而如果要想達到第64格,一共所需的麥粒總數達到驚人的18446744073709551615粒,這是什麼概念呢?如果建造一個底部寬度10米、高4米的糧倉,來存儲這些麥粒,那麼糧倉的綿延的長度,相當於從地球到太陽打個來回,所以國王輸得太慘,永遠也無法兌現承諾了。
將紙反覆地對摺,其實和上面棋盤擺麥粒的道理一樣,最後綿延的長度,也是呈現指數級增長的態勢,都是以2為基礎,下一級是上一級的2倍這樣反覆增長,其結果無疑是一個天文數字。
紙張不能無限制對摺的原因
為了提高紙折的次數,大家肯定想,只要找到足夠大、足夠薄的紙張就可以了。實際上在國內外許多嘗試進行的實驗中,也是這麼考慮的,不過用再薄的、再大的紙張,也僅能增加幾次的對摺次數,而所有的實驗都無法再突破13次。究其原因,就在於紙張的構造。
大家知道,紙張的構成主要是植物纖維,植物纖維支撐起了紙張的厚度以及韌性,也就是說紙張再薄,其厚度也不可能小於植物纖維。例如一張普通的A4紙,其厚度約為0.09毫米,衛生紙的厚度為0.05毫米,這些紙張類型的厚度,都要大於一般植物纖維的厚度-0.02毫米,這就決定了紙張的厚度有著一個底限值。
隨著紙張對摺次數的增加,在摺疊的邊界處,就會出現對植物纖維的擠壓。當積累的紙張厚度不斷增加、達到一定臨界狀態時,摺疊處的植物纖維就無法再通過擠壓破壞的方式產生摺痕了,也就是說包不住紙張的厚度,不能形成穩定的摺疊形狀,這個時候就說明達到了紙張的摺疊極限。
紙張理論上摺疊105次後的長度
如果排除植物纖維厚度的限制,純粹地按照理論來計算,我們以很薄的衛生紙為例(厚度0.05毫米),很容易計算出摺疊不同次數下,它所達到的長度規模。比如:
摺疊24次後,厚度達到839米,超過了現有世界最高建築杜拜哈利法塔的高度。
摺疊38次後,厚度達到13744公裡,超過了地球的直徑。
摺疊44次後,厚度達到44萬公裡,超過了地球和月球的距離。
摺疊52次後,厚度達到2.2億公裡,超過了太陽和地球的距離。
摺疊68次後,厚度達到14.8萬億公裡,超過了太陽系奧爾特雲的邊界範圍。
摺疊85次後,厚度達到20.4萬光年,超過了銀系的直徑。
摺疊103次後,厚度達到530億光年,超過了可觀測宇宙的半徑。
而摺疊到105次後,厚度為2144億光年,已大大超過可觀測宇宙的範圍。
兩點說明
在計算完這個結果之後,還有兩點需要說明一下,一是紙張理論上摺疊105次後,其厚度雖然超過了可觀測宇宙的範圍,但並不代表宇宙裝不下它了,畢竟在可觀測宇宙之外還有無數個同樣的「可觀測宇宙」。根據科學家關於宇宙曲率的測算,現有宇宙的空間範圍,可以達到23萬億光年。
二是不可能存在這麼大的紙張。當紙張的質量超過一定限度以後,在自身引力的作用下,勢必會發生坍縮,最後在宇宙中呈現的不可能是薄薄的紙張,而是在引力作用下坍縮,聚合成球體,內核在巨大的壓力和溫度作用下,組成紙張的分子都會徹底分解,形成等離子態,在量子隧穿的作用下發生核聚變反應,形成一顆「火紅」的恆星。