
在这里,我们首先要明确一个事情,那就是π是什么?
实际上,并不是数学家找了这么一个奇怪的无理数,把它叫做π。
π这个数,是计算出来的,它是圆周和直径的比值。和所有的数学问题一样,在这里,我们需要深究一个看上去像是废话一样的问题:什么是圆。
根据欧几里得的《几何原本》定义,是在同一平面内到定点的距离等于定长的点的集合。
在这里,平面和定点都是不言自明的。所以一切的问题就在于:什么是两点之间的距离?
在现实中,距离是可以用各种测量工具量出来的。但是在数学上,问题没有这么简单,即使我们把问题限制在平面内考虑,距离这个概念,也不是一个简单的事情。
在中学学习解析几何的时候,我们都学过,对于两个点 和 ,它们之间的距离为 。
那么,有多少人思考过,为什么两个点之间的距离,要先平方,再开平方?
那是因为,我们生活的这个现实世界,在近似的范围内,可以看做是一个平坦的欧几里得空间。在这种几何空间中,距离就会满足这种定义方式。
如果改变这种定义方式,我们就会从欧几里得空间,变到一些奇奇怪怪的空间。这其中最“简单”的做法,就是把距离定义中代表平方的2,换成一般的P。这样,我们就得到了在泛函分析中最为常见的 空间。
当我们做这种改变的时候,“圆”这个图形也会做出相应的变化,图中的每一个颜色画出的图形,都是圆。很显然的,它们的形状完全不同,相应的,与之对应的π的数值也是不同的。
当P=1时,π的值为2.82842……,即 ,而当P=∞时,π的值为4。
另外一方面,我们知道,数学是用来描述世界的底层语言。因此,即便我们只是想要小小地改动一下π的值。这一看似微不足道的举动,也会导致这些我们想像出来的世界,与现实世界有着完全不同的物理法则。
举个栗子,在P<1时,我们的空间会变成所谓的双曲空间。在双曲空间中,有一个经典的情况叫做“庞加莱圆盘”。在这个庞加莱圆盘的世界中,一切都会变得完全不同。
庞加莱圆盘的整个世界限制在一个单位圆的范围内。
这个世界中有两个最重要的物理定律:
一,假如某物体离原点O距离为d,那么该物体的温度为 。
二,物体的大小与温度成正比。
这样,假如某个人从这个世界的中心走向边缘,那么他的温度会从1慢慢变成0,同时整个人慢慢变小。
他自身大小改变的同时周围的物体也等比例地放大或缩小,而这个世界里的人视野有限,看不见远处的东西,因此他不会觉得自己变小了或者变大了。
对于我们来说,这个世界是有界的;但对于这个世界中的人来说,这个世界是无穷大的。因为离原点越远,人就越小,于是相对来说他们所看到的空间也就越大。当人的位置趋于边界时,物体大小趋于0,此时的空间将变得无穷大,因此这个世界中的物体永远无法到达边界。同时,离原点越远的话越接近“绝对零度”,这将非常不适宜生物的生存,因此人们大多居住在原点,离原点越远城市规模越小,更远的地方则完全没有开发过,只适合于疯狂的冒险家进行极限运动。于是这个世界中的物理学家很自然地得到这个结论:世界是无穷大的。
