探索科普:指數爆炸是什麽?
發布時間:2021-04-21
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探索科普:指數爆炸是什麽?

根據宇宙大爆炸理論,我們(men) 的宇宙具有138億(yi) 年的曆史,並且還處於(yu) 膨脹階段,由此就導致了一個(ge) 名為(wei) “可觀測宇宙”的概念出現,我們(men) 平常所講的宇宙,指的就是這個(ge) 直徑足足有920億(yi) 光年的球形可觀測宇宙。

指數爆炸是什麽?1顆乒乓球,每秒翻1倍數量,5分鍾填滿宇宙?

 

那麽(me) 在理想狀態下,一顆乒乓球,使其數量能夠每秒鍾翻一倍,那麽(me) 隻需五分鍾就能填滿我們(men) 的宇宙嗎?

指數爆炸是什麽?1顆乒乓球,每秒翻1倍數量,5分鍾填滿宇宙?

 

提示:對應講解視頻在我的主頁,視頻欄目下

再正式介紹前,我們(men) 先來聽一個(ge) 非常有意思的小故事

說在印度古時候啊,一位大臣發明了國際象棋,他的國王很高興(xing) ,於(yu) 是讓大臣自己說出一個(ge) 願望,他都能幫他實現,而這位大臣思考了一會(hui) 兒(er) 後,對國王說:尊敬的陛下,我隻請求您能給我一些麥粒就行了,能夠裝滿這個(ge) 國際象棋的棋盤就行。

指數爆炸是什麽?1顆乒乓球,每秒翻1倍數量,5分鍾填滿宇宙?

 

不過有個(ge) 小要求,那就是在棋盤的第一個(ge) 格子放一粒麥粒,第二個(ge) 格子放兩(liang) 個(ge) ,第三個(ge) 格子放四個(ge) ,以此類推,一直放到第64個(ge) 格子就可以了。

國王一聽,哈哈大笑,這個(ge) 要求太簡單了,就這麽(me) 點麥粒,很爽快地就答應了大臣的要求,於(yu) 是喊來糧倉(cang) 的管理員把對應數目的麥粒拿過來,一開始還好,然後隨著格子往後,要的麥粒卻突然增加起來,最後管理員一算,放滿64格,整整需18446744073709551615(粒)!

如果用一個(ge) 十米寬、四米高的箱子來裝的話,這個(ge) 箱子的長度將達到兩(liang) 倍日地距離(3億(yi) 公裏)!

指數爆炸是什麽?1顆乒乓球,每秒翻1倍數量,5分鍾填滿宇宙?

 

現在呢,我們(men) 再來看看乒乓球問題,估計很多朋友都感到疑惑,乒乓球那麽(me) 小的東(dong) 西,直徑不過四公分,而你說的宇宙,直徑足足有920億(yi) 光年,這二者簡直是天壤之別的天壤之別啊!

其實麥粒和這個(ge) 乒乓球問題背後涉及的原理都是一樣的,是一個(ge) 數學概念了,叫做指數爆炸,其實很簡單,就是我們(men) 中學時期學的指數函數y=a的x次方

指數爆炸是什麽?1顆乒乓球,每秒翻1倍數量,5分鍾填滿宇宙?

 

從(cong) 圖像上可以看到啊,這裏a的值是大於(yu) 一的,隨著x的增加,y的值從(cong) 一開始的緩慢上升,然後突然變成急速上漲,於(yu) 此就有個(ge) 很形象的稱呼,叫做指數爆炸。

知道這個(ge) 概念後,我們(men) 再來看這個(ge) 乒乓球,雖然一個(ge) 乒乓球的體(ti) 積微不足道,但它的數量可是每秒鍾就能翻一倍啊,也就是每過一秒,就乘個(ge) 2,因此其數量符合指數函數,為(wei) y=2的x次方,而數量乘以單個(ge) 體(ti) 積就是總體(ti) 積。

之後考慮到啊,由於(yu) 乒乓球的為(wei) 球體(ti) ,所以堆在一起,不可能嚴(yan) 絲(si) 合縫,因此它的空間利用率最高為(wei) 74.05%,而我們(men) 的宇宙,其當前可觀測半徑為(wei) 460億(yi) 光年,所以算下來,隻需要282秒,也就約為(wei) 5分鍾就能塞滿宇宙。

其實還有個(ge) 簡單的例子,那就是一張紙在對折103次的情況下,將會(hui) “戳穿”宇宙,其實和上麵一樣,也是指數爆炸問題,比如0.1毫米厚的紙,對折103次之後厚度就變成一千多億(yi) 光,不過實際情況下,一張紙不可能完好的對折那麽(me) 多次,能有個(ge) 十幾次已經異常困難了。


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