圓周率是一個數學上的概念,也是我們上學時接觸到的第一個無理數,所謂的無理數就是一個無限不循環小數,在數學上有無數個這樣的無理數,例如:√2、√3、√5。而圓周率只是其中最普通的一個無理數,但是圓周率涉及到了圓這個宇宙中最常見的本質形狀,所以略顯神秘。不管在微觀層面還是在宏觀尺度上,我們用數學建模分析物理問題時,都會涉及到圓形軌道,所以在很多物理公式裡都會出現圓周率的身影。
圓周率其實就是是一個圓的周長與其直徑的比值。其實有一個方法可以很好地理解為什麼圓周率是無限的永遠算不盡!簡單地說圓本身就是一個無限循環的概念。
假如一個圓的直徑是1,那麼這個圓的周長就是圓周率,這說明一個圓的周長在數學上會無限地逼近一個值,但永遠達不到這個值,這就是無限的概念。簡單的說,對於一個圓周,如果你用手指沿著圓周走,在數學上你永遠不會達到一個斷點,而是會永遠無限的循環下去,這意味著圓上的每一個點都會無限的靠近另外一個點;這也說明一個圓的周長會無限接近一個值,組成這個圓的直線也會無限接近一個值!
圓周率的計算可以追溯到公元前250年,由希臘數學家阿基米德證明了這個數字在3.1408和3.1429之間。我國古代數學家劉徽使用割圓術,也就是做圓的內接多邊形和外接多變形,使得多邊形的周長無限逼近圓的周長,將圓周率確定到了小數點後四位,祖衝之繼承了劉徽的割圓術,將圓周率推算到3.1415926和3.1415927之間。然後到1630年,利用幾何法人們將這個數字擴大到小數點後39位。
至此人們利用幾何的方法已經無法再往下算圓周率了,因為涉及到的尺度越來越小,在現實中已經不具備可操作性了。直到現代,超級計算機的出現已經將圓周率算到了小數點後30萬億位。而且這並沒有算到頭,這就是數學上一個無理數無限逼近一個數值的情況。
有些人還有個疑問,就是在物理上存在一個普朗克尺度,說的是事物不可無限細分,宇宙存在一個最小的尺度,也就是在這個尺度之下一切物理定律我們將無法探查,也就失去了意義。那為什麼圓周率還存在算不盡的情況,也就是它的周長是一個無限不循環的數?
其實這兩個概念並不衝突,我要分清理論和現實,數學是一個理論上的工具,是一個抽象的概念,它可以不受現實的約束,可以存在和研究無理數也就是無限的概念,可以研究更高的維度。例如,我們都聽過這樣的一句話:
「一尺之棰,日取其半,萬世不竭」
拿一個一尺長的棍子,每天掰掉一半,永遠都掰不完!這其實就是我國古人對無限概念的描述,在數學上確實是成立的。因為數學不用去考慮現實性。而物理就不一樣,它需要以宇宙的現實性為準則,去表述客觀事物,所以在空間上不能無限細分一件事物,按著一天掰一半棍子的說法,只需要短短120天就可以掰到普朗克長度為1.6×10-33釐米,因為這是一個指數遞減的過程。所以在物理上我們會十分謹慎地對待無限的概念。
那麼圓周率假如有一天發現被算盡了會發生什麼?
圓周率在數學上已經通過嚴謹的推理被證明是一個無理數,而且通過微積分和反證法也證明了圓周率是無理數。如果哪一天圓周率被算盡,我們所建立的數學體系就要做出修改,更重要的是,圓這個在理論上封閉的、無限循環的形狀就會存在理論上的斷點,這說明任何閉合的形狀都是不連續的,一些大型結構就有可以發生斷裂。
這一點可能對我們的影響最大,因為在現實生活中閉合的結構太多了。電子儀器、汽車、飛機、航天工業到生活用品。
如果圓周率被算盡,那麼古老的割圓術就可以證明圓並不是一個真正的「圓」,分割到一定的程度就無法在進行分割,這說明圓其實就是一個「正多邊形」,我們要重新對圓進行定義。組成圓的光滑的曲線實際上就是有有限的微小線段組成的。這也說明我們之前認為的曲線也不對,它也是由有限的線段組成的。這可能會涉及到微積分的數學理論存在問題,利用微積分所創造出來的一切可能都會存在我們無法感知的誤差。
但是我覺得圓周率就算盡了,對物理定律沒有任何影響,因為我們目前所使用的圓周率也是有時也只精確到小數點後幾位,而且在現在世界中也根本不存在平面幾何上完美的圓,就算太陽系這麼大的圓,圓周率精確到小數點後35位,所計算的誤差也比原子還要小。
當然圓周率已經被證實是一個無理數,各種理論都互相自洽,並沒有出現矛盾的地方,所以不可能被算盡。