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牛顿杂志社 编
《科学世界》杂志社 译
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在数学世界里,重复乘法运算(或者作为运算结果的数字)叫作“乘方运算”(也称“幂运算”,幂即乘方运算的结果)。重复相乘的次数就算看起来没那么多,运算得到的结果却很可能是超出想象的巨大数字。
把一张纸对折重叠42次,就能到达月球
通常,一张打印纸的厚度大约是0.1毫米。把这样的纸对半剪开再重叠起来的话,厚度就变成了2张打印纸的厚度,也就是0.2毫米。
那么,把叠在一起的2张打印纸再进一步对半剪开重叠起来,厚度就又变成2倍,这样一直重复对半剪开再重叠的话,会变成什么样呢?
重叠的打印纸厚度从最开始的0.1毫米逐步变成0.2毫米、0.4毫米、0.8毫米、1.6毫米……
不过,这个想法只能在理论上实现,现实生活中并不能如此操作。因为,如果是用一张A4尺寸(长边大约长30厘米)的纸重复42次对半剪开重叠的话,纸的大小(长边的长度)会变成分子的尺寸(100纳米级别)那么小。
有时,我们会把非常大的数字称作“天文数字”。这是因为在以宇宙和天体为研究对象的天文学里,经常会出现很多非常大的数字,很多时候是需要估算,而非精算。
例如,“在我们居住的银河系里一共存在多少恒星?”当你被问到这样的问题时,应该如何找到答案?
美国物理学家恩里科·费米(Enrico Fermi,1901~1954)就是一位擅长利用推理来估算数值的人。
让我们一起来测算
银河系里有多少颗恒星?
根据基于天文学观测数据的研究,银河系中存在的恒星数应该在2000亿颗左右。这样看来,上面列出的估算值的误差不到2倍,也是相对合理的估算。
人体全身总共有多少个细胞?
上个例子给出我们解答费米问题的思路。
● 如果用1个细胞的体积去除人体的体积,应该就能得到细胞的总数。
由于费米问题的解答只是对数量级的一个大致估算,所以并不能得到精确的答案。但是,通过利用这样的推理对数值进行大致估算,对我们掌握事物的规模和概要等非常有帮助。
如果推理出来的估算结果与实际数据出现很大差别,那就说明推理过程中的假设有了比较大的误差。通过修正假设条件,也能够帮助我们更加详细地把握一些事物的概要。
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