无中生有 可不是一句玩笑话 前两天给各位模友推送的“葛立恒数”,不知道有多少人享受其中呢?如果还有人觉得意犹未尽的话,那么今天超模君再来分享一个颠覆常识的理论——巴拿赫-塔斯基悖论(又称“分球悖论”)。 这个理论的具体内容是:一个三维的球体,可以剖分成有限的若干块,用这些块可以完整地重新拼出两个与圆球体同等大小的球体。用一个成语来概括这个理论就是: 无!中!生!有! 是不是已经有模友迫不及待地想知道到底是怎么回事呢?不要着急,在讲具体方法之前,超模君先讲两个例子,为后面更好地讲“分球悖论”做准备。 有一间世界闻名的旅馆,名字叫希尔伯特旅馆。旅馆里有无数个房间,每个房间里都住了一个客人。一天,有一名新的客人来到了旅馆,要求入住。但是所有房间都满了,该怎么办呢? 聪明的老板娘微微一笑,她让1号房间的客人住到2号房间,2号客人到3号房间……之后的客人都这么做。由于房间的数量是无限的,所以客人们都能够住到下一个房间中。就这样,1号房间空了出来,新客人也就心满意足地住进了1号房间当中。 怎么样?是不是有点理解不能了?没关系,这个示例就只想告诉各位模友一件事:任何有限的数与无限做加减运算,其结果依然是无限。 好了,离开希尔伯特旅馆,让我们再来看一本名叫超级韦氏字典的英语字典——这本字典包含了英语中所有的单词,只因为它的结构是这样的:
容易想象,这本字典是非常巨大的,但是出版商想节省原料,于是想出了这么一个办法:
但是出版商的这个做法,却产生了意想不到的效果:印在第一卷里面的序列,在省去A之后,这一卷依旧能够表示所有的单词! 也就是说,出版商仅仅用一卷,就分解了整部超级韦氏字典…… OK,请各位模友牢记这两个例子,接下来就是加速的时候了!(前方高能,不想烧脑的模友可以趁早撤退了) “分球悖论”最重要的部分,就是如何分割三维的球体,而我们选取的方法,就是让三维球体,变成一部超级韦氏字典。 那如何让球体变成一部超级韦氏字典呢?首先,必须给整个球体上的点,起一个独一无二的名字。取名的方法如下:
当然,这种命名方法还有个规则:就是不能够存在“原路返回”的序列——UD、DU、LR、RL,因为这样相当于点O根本没动。 然后我们将所有可能的序列都列出来,球面上的点就变成一部超级韦氏字典了: 看起来是不是很眼熟? 但是用序列来代表点这样的方法有点太抽象了,有没有直观点的方法呢?我们可以来做这样一个分类:以最后一步为分类标准,将上述序列分成四类,每类分配一种颜色——U点(最后一步是向上走的点,下面的类推)为橙色、D点为蓝色、L点为紫色、R点为红色。 就像这个样子 按照上述方法,我们将这些序列标注在球面上,每个序列都会得到一个属于自己颜色的点: 这样的点有可数无限个,但是却并不能占满整个球面——因为球面上有不可数无限个点。(不懂可数和不可数无限的模友可以去了解下康托尔的集合论)那问题来了,该怎么用这些序列来表示整个球面上的点呢? 很简单,在没有涂色的点中,选一个新起点,然后将这些序列应用到新起点上,再给可数无限个点命名。重复这一过程,我们就可以将球面上所有点分成五类点:起点、U点、D点、L点、R点。
你以为这样就分类完了?不不不,还有一类点隐藏在这五类点其中,它们有很多个名字,我们必须将它们剔除出来,免得出错。 这类点的名字叫做极点。我们将这类点单独剔除出来,用黄色给它们来标上颜色。接下来,我们就可以来见证奇迹了!
现在球体上所有的点都被标上了6种颜色中的其中一种,按照颜色来分类,球体则可以被分成6部分:起点部分 U点部分 D点部分 L点部分 R点部分 极点部分。因为每个点到球心的点列是独一无二的,所以只用点来代表就行。 当然,球心也需要单独拿出来,因为它是独一无二的。 拆分后的球体如下图: OK,现在我们可以将 L点部分拿出来看看。 L点部分对应的序列为所有以L结尾的序列,如果将L点部分向右旋转一下,序列会发生怎样的变化呢? 答案是:L点部分所对应的序列变成了U点、D点、L点、起点部分所对应的序列。 有模友可能会说:这怎么可能?!超模君在骗人吧?! 不是超模君在骗你,用前面超级韦氏字典的例子就可以解释这个现象。 如图,向右旋转L点部分,相当于在L点部分所对应的序列之后再加上一个R: 前面说过,RL这样的序列是不允许出现的,所以所有序列的最后一个L都被抵消,但由于每个序列都是无限的,就好像超级韦氏字典第一卷那样,剩下的部分依旧可以构成代表U点、D点、L点部分的序列,而只有一个L的那些点,则因为被R抵消,还原回所有起点。 只是旋转一下,我们就得到了球体的四个部分,那剩下的部分只需要用之前分离出来的R点部分和极点部分填上,以及把球心放进去,就是一个完整的球体了——而且还剩下这些东西: 这三个东西依旧可以拼成一个完整的球体。 我们把U点部分向下转动,与前面向右旋转L点部分相类似,U点部分所对应的序列就会变成U、L、R点部分对应的序列,还有起点的序列。 但是起点部分还没有用上呢?怎么办呢? 不要紧,把序列U所代表的点先行移到 D点部分,然后再对整个U点部分进行旋转就行。可是我们会发现,先清除再旋转后的U点部分,序列UU会变成序列U,与D点部分中先行到达的序列U相重复,所以我们必须先将所有的重复排列U的序列全部先行移除,然后再旋转剩余部分,最后再组合,才能够得到一个仅包含U、L、R点部分的序列集。 接下来的工作就很简单了,把剩余的部分全部组合在一起。诶?等等?你说剩余的极点部分和球心该怎么办?没关系,用希尔伯特旅馆的思想就可以解决。
那么,到目前为止,我们就成功地将一个球完美地分割成两个球啦!而且这两个新球,跟旧球是没有任何区别的哦!后排的模友,请让超模君看到你们欢呼的双手! 其实,有关“分球悖论”的正确性,依旧是众说纷纭,因为它超出了我们日常生活的直观经验,也就是所谓的常识。 但是,谁又能够说,常识就是真理呢?谁又能够说,我们所能触摸到的,就是这个世界的全部呢? 本文系网易新闻·网易号“各有态度”特色内容 |
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