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1.用砂粒填满宇宙

阿基米德是一个著名的解题能手,解决了许多著名的数学难题。而且,他有一种特殊的本领,能用最简单的方法解答最难的数学问题。对此,历史学家们作了生动的记载。一些人乍见阿基米德要解答的题目,往往会感到无从下手,可是,一旦他们见了阿基米德的解答,便会情不自禁的赞叹:“竟有这等巧妙而简单的解法。我怎么就没有想出来呢?”下面这道“砂粒问题”就是一个著名的例子。

“如果用砂粒将整个宇宙空间都填满,一共需要多少砂粒?”

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,而人类居住的地球呢,则正好处在于球的中央。

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 10000 倍,而地球的周长是小于 30 万斯塔迪姆(1 斯塔迪姆约等于 188 米)。

阿基米德为了使他的计算更能说服人,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,砂粒有多大呢?同样是为了增强说服力,阿基米德又有了意将砂粒描绘得非常非常小。他假设 1000 颗砂才有 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(即 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。

把这一切都安排妥贴后,阿基米德没有急于马上去计算填满宇宙的砂粒数,而是首先着手解决一个比较简单的问题:填满一个直径为 1 英寸的圆球,一共需要多少颗砂粒?

因为 1 颗罂粟籽的直径是 1/40 英寸,1 3 ∶40 3 = 1 ∶64000,所以,填满直径为 1 英寸的圆球,至多需要 6.4 亿颗砂粒。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,一共需要多少颗砂粒呢?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、100 亿个斯塔迪姆时,填满它所需要的砂粒数。最后,阿基米德得出答案说:填满整个宇宙空间所需要的砂粒数,不会超过 1000 万个第八级单位。

这个数究竟有多大呢?用科学记数法表示就是 10 63 。这是一个非常大的数,如果用一般的记数法表示,得在 1 的后面接连写上 63 个 0。

古时候,人们把 10 4 叫做“黑暗”,把 10 8 叫做是“黑暗的黑暗”,意思是它们已经大得数不清了,而阿基米德算出这个数,不知要比“黑暗的黑暗”还要“黑暗”多少倍。由此可见,解答“砂粒问题”,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 10 63 颗砂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。 I4aTUvTX+Eiym247jq9xJmbgw5o1of5laiY/kzGC28FxyYZmeu8YZ26BoEkVQU+F

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