多少沙粒能填满宇宙
古希腊科学家阿基米德是一个著名的解题能手,他解决了许多著名的数学难题。他还有一种特殊的本领,就是总能用最简单的方法解答最难的数学问题。
对此,历史学家们做了生动的记载:当时,一些人初见阿基米德要解答的题目,都感到无从下手,可是,一旦他们见了阿基米德的答案,便会情不自禁的赞叹竟有这等巧妙而简单的解法!纷纷觉得自愧不如!下面这道“沙粒问题”就是其中一个著名的例子。
“如果用沙粒将整个宇宙空间都填满,一共需要多少沙粒呢?”
要解答这样的题目,首先要知道宇宙的大小。那时候,古希腊人认为宇宙是一个巨大的“天球”,日月星辰如同宝石般镶嵌在天球的四周,而人类居住的地球则正好处于天球的正中央。
天球有多大呢?根据当时最流行的观点,天球的直径是地球的直径的1万倍,而地球的周长是小于30万斯塔迪姆,而1斯塔迪姆约等于188米。
阿基米德为了使他的答案更能说服人,有意把这个数值扩大了10倍。他假设地球的周长小于300万斯塔迪姆,并由此算出宇宙的直径小于100亿斯塔迪姆。
那么,沙粒有多大呢?同样为了增强说服力,阿基米德又有意将沙粒描绘得非常非常小。他假设1000颗沙粒才有1颗罂粟籽那么大,而每1颗罂粟籽的直径只有1英寸的1/40。
当时,古希腊的记数单位最大才到万,很难满足解答这个题目的需要,于是,阿基米德又将记数单位作了扩充,创造了一套表示大数的方法。他将1万叫做第一级单位,将1万的1万倍就是今天的1亿叫做第二级单位,将第二级单位的1亿倍叫做第三级单位,将第三级单位的1亿倍叫做第四级单位,……像这样一直取到了第八级单位。
把这一切都设计好以后,阿基米德没有急于马上去计算填满宇宙的沙粒数,而是首先着手解决一个比较简单的问题,那就是填满一个直径为1英寸的圆球,一共需要多少颗沙粒?
因为1颗罂粟籽的直径是1/40英寸,13∶403=1∶64000,所以,填满直径为1英寸的圆球,至多需要6.4亿颗沙粒。这个数目比10个第二级单位小。
那么,填满直径为1斯塔迪姆的圆球,一共需要多少颗沙粒呢?阿基米德的答案是:这个数目不会超过10万个第三级单位。
接下来,阿基米德将圆球的直径不断扩大,逐一计算了当圆球的直径是100、1万、100万、1亿和100亿个斯塔迪姆时,填满它所需要的沙粒数。最后,阿基米德得出答案是:填满整个宇宙空间所需要的沙粒数,不会超过1000万个第八级单位。
这个数究竟有多大呢?用科学计数法表示就是1063。这是一个非常大的数,如果用一般的记数法表示,就是在1的后面接连写上63个0。
古时候,人们把104叫做“黑暗”,把108叫做是“黑暗的黑暗”,意思是它们已经大得数不清了,而阿基米德算出的这个数,不知要比“黑暗的黑暗”还要“黑暗”多少倍呢!由此可见,解答“沙粒问题”,不仅显示了阿基米德高超的计算能力,也显示了他惊人的胆识与气魄。
不过,用1063颗沙粒是填不满宇宙空间的,充其量也只能填满宇宙一个小小的角落。但是,这不是阿基米德计算的过错。因为古希腊人心目中的“天球”,即使与现在人们已经观测到的宇宙空间相比,充其量也只能算是一个小小的角落。