通向万物的答案

作者: 原原

来源: 原创

发布日期: 2020-10-03

文章探讨了数字42在科幻小说《银河系漫游指南》以及科学中的意义,特别是在数学和物理中的应用。它详细介绍了彩虹形成的科学原理,涉及42°角的光学现象,以及在数学中42的特殊性质,如分拆和丢番图方程的解。此外,文章还讨论了太阳围绕银河系中心旋转的周期,以及宇宙膨胀率的测量和哈勃常数的问题。

在著名科幻小说《银河系漫游指南》中,道格拉斯·亚当斯给出了一个“宇宙、生命与万物的答案”——42。它也成为一代又一代“指南迷”心中的神圣数字。抛开科幻的脑洞,在科学的世界里,比如数学和物理中,数字42背后真的藏着许多有趣的事实。想要“制造彩虹”,办法有不少,比如,我们可以拿着浇灌花园的龙头,对着天空喷出水珠。所有这些方法都有一些共同点,这些彩虹都来自光在水滴中的反射。

只要这些水滴是淡水,峰值强度就出现在入射光线与反射光线的夹角呈42°时。你所见的每一条主彩虹都有几乎一样的弧度,其中的原因并不复杂:光线在水中的速度与在空气中的速度不同,当光进入或离开介质时,它总是以一种可预测的方式弯曲,这是由光在水和空气交界处的入射角决定的。当光从空气进入水中时,不同波长的光线弯曲角度略有不同,导致颜色分散“显露”出来。

假设所有水滴都是完美的球体(这其实是个不错的假设),当光线照射到水滴的背面时,它会以一个已知的、可预测的角度反射。当光重新回到空气中时,每个波长都会以一个特定的角度偏离原来的路径,在可见光的光谱上,这个角度大约在41°多到略小于43°之间,峰值强度就在42°。假设存在任何一个星球,那里大气稀薄,光能够穿透大气,并以接近真空光速的速度传播,大气中还存在纯水滴,类似的42°彩虹的现象都会出现。

然而,这其实并不是一种真正普遍的现象,如果大气折射率不可忽略,如果水滴是椭球而不是球形的,如果它们是盐水而不是淡水,或者它们是由完全不同的物质构成的,彩虹就可能以完全不同的角度出现。在数学中,分拆(partition)有非常具体的定义,它代表着用不同正整数相加的方式来表示一个数字。

比如,有7种方式可以分拆5,它们分别是5 = 1 + 1 + 1 + 1 + 1 = 1 + 1 + 1 + 2 = 1 + 1 + 3 = 1 + 2 + 2 = 1 + 4 = 2 + 3 = 5这种分拆可以用杨图(Young diagram,见上图)来表示。这些图长得很像俄罗斯方块,每一组方块的个数等于被分拆的整数,而不同的组合方式则代表了相应的分拆方式。对于10来说,总共有42种分拆方式。

有意思的是,这不仅是42和10的唯一联系。比如,10 = 21 + 23,而42 = 21 + 23 + 25。在二进制中,10(10) = 1010(2),而42(10) = 101010(2)。这些数字和关系在数学和物理(尤其是群论相关的领域)具有非常重要的作用。

如果允许其中两个数相等,满足上述等式的a,b,c和d其实有不少,比如a=2,b=4,c=d=8;或者a=b=3,c=4,d=12,等等。但如果要求这四个数字必须都不相同的,那等式的解就少得多了。在这种情况下,a,b,c或d中可能的最大值就是42,这组解中其余三个数字分别是2,3和7。事实上,这四个数字之间还存在另一种关系,因为2,3和7是42的素因数(42 = 2 × 3 × 7)。

这个大名鼎鼎的方程名叫丢番图方程,它是一种代数结构,具有非常独特的性质。长久以来,不少数学家一直在研究丢番图方程的解。对于一些数字来说,比如k = 29时,它的解相对简单(k = 29 = 3³ +1³ +1³)。但还有许多就没那么容易了。在计算机的帮助下,在2019年之前,100以内的绝大多数数字,要么已经被证明不可能用三个整数的立方和表示,要么已经被求解出来。

最后剩下的只有两个最难的——33和42。2019年3月,英国数学家找到了33的答案,其搜索范围延伸到了数轴非常遥远的地方。然而42的解决还需要“更上一层楼”。经过漫长的计算,到了2019年下半年,数学家终于得到了答案:42 = (-80538738812075974)³ + 80435758145817515³ + 12602123297335631³。

截止目前,在k<1000的数字中还有几个数没有找到相应的解。除此之外,还有一个非常令数学家感兴趣的数字,那就是3。数学家已经证明,1和2有无穷多个可预测模式的解,但到了3这里,却只找到了两个最平凡的、最简单的解:1³+ 1³+ 1³= 3和4³+ 4³+ (-5)³= 3。他们想知道何时还能出现另一个更大的解。月球绕地球旋转,地球绕太阳公转,那么太阳呢?太阳同样在围绕着银河系中心旋转。

欧洲南方天文台(ESO)进行了一项研究,追踪了太阳附近的大量恒星的位置和轨道参数,重建出了这些恒星在过去大约2.5亿(地球)年间是如何与太阳一同运行的。这个时间长度就是大约一个“银河年”,也就是太阳系绕行银河系中心运行一圈的时间(包含约10%的不确定性)。与此同时,我们的太阳本身也并非一成不变的。恒星也有自己的生命周期,在生命中会有许多时刻标志着它的关键转变。

太阳接下来的一个关键性的转变就是,当它的核中氢燃料耗尽,它就会开始膨胀成一颗红巨星,在壳层中燃烧氢,直到氦核点燃。在这个阶段中,几乎可以肯定的是,水星和金星将被吞没,地球或许也会被吞下,至少不再会是一个现在这般舒适宜居的星球。从恒星演化的角度来看,从核中的核聚变第一次被点燃,到太阳红巨星阶段的开始,这个过程大约有100到120亿年。

那么在太阳膨胀成一个红巨星之前,太阳将经历多少个银河年,也就是绕银河系中心运行多少圈?答案大约就是42。不过,合理的估计其实在40到45之间,但42是目前基于现有数据的最佳答案之一。当然,我们还需要更多数据来确定它。到现在为止,我们的宇宙已经存在了大约140亿年。在宇宙大爆炸之后这段漫长的时光里,宇宙在膨胀并冷却。

按照惯例,天文学家通常会借助一种特殊的度量表示宇宙膨胀率,也就是速度(某个物体看起来移动得有多快)/单位距离(基于物体距离我们有多远)。在科学上最常见的单位就是km/s/Mpc(千米/秒/百万秒差距)。这个数也被称为哈勃常数。在对哈勃常数的数值测量中,有两大类测量指向了两组不太一样的结果。

基于早期遗迹的测量,比如宇宙微波背景的波动或者大尺度结构中的星系团,得到的结果大约是67-68km/s/Mpc。而基于宇宙时代晚期的单个来源测量,比如超新星或引力透镜,其测量值则为73-74 km/s/Mpc。弄清宇宙膨胀率的谜团,实际上也是现代宇宙学最大的挑战之一。但如果第一组答案是正确的,“宇宙膨胀得有多快”这个问题的答案可能真的与42有关。

将km/s/Mpc换算为mi/s/Mpc,那个数值大致就是42mi/s/Mpc。这个数字也就能够更清楚地帮助我们推断出,如今宇宙膨胀得有多快。

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