圓周率已經被算到了第62.8萬億位,為什麼科學家對它這樣執著?

世界上最常見的圖形可能就是圓了,比如落下的雨滴,比如樹幹的橫截面,比如一朵花的花心,又比如我們頭頂的太陽、月亮,以及在

各種高階天文望遠鏡下觀測到的各種恆星和行星

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我們今天所熟知的圓周率通常是用希臘字母π來表示,

是圓的周長與其直徑的比值,也是其面積和半徑平方的比

,可以用來計算圓的周長、面積、一個球體的體積等等資料。

數學家們認為,圓周率其實就是一個無理數,

換句話說就是無限不迴圈的小數,它不存在數字上的規律,會一直相對無序地排列下去。

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圓周率的計算過程

早在公元前1900年到公元前1600年期間,古巴比倫和古埃及就已經開始了對於圓的研究,前者在一塊石匾上記載著圓周率等於25/8,也就是3。125,後者則在一張數學紙草書上面記錄了圓周率為16/9的平方數值,也就是3。160493……

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雖然這兩份資料都顯示的是古巴比倫和古埃及都是在同一時期發現的圓周率的大概數值,但是有相關學者發現,

古埃及所建造的胡夫金字塔在經過測量以後,居然存在著大量的數學原理。

尤其是

該金字塔的塔高與塔基之比

,就是地球的半徑與其周長比。所以這也意味著,

古埃及人其實在公元前2500年就已經明白了圓周率。

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在公元前3世紀,

古希臘的阿基米德開創了計算圓周率近似數的新方法,

即利用數學理論的概念,其中用到了兩側的數值逼近的方法,以及迭代法。

透過這兩種數學方式,

我們就能不斷地尋找到越來越接近圓周率真實資料的結果。

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因此,

阿基米德得到了圓周率是處在223/71和22/7之間的結論

,取這兩者的平均值,則得出了圓周率的近似值為3。141851。

當然,我國作為自然科學在古代長期處在世界前沿的國家,也有進行有關圓周率的研究。根據我國曆史上最古老的自然科學書籍《周髀算經》記載,在公元前1000年左右的西周初期,

商高曾與周公旦進行了一次問答,並提出了勾股定理。

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商高表示,圓出於方,方出於矩,

也就是圓是從方形中來的,而方也是從矩形中產生。

這也是因為當時的古人還不具備測量和計算出圓形面積的能力,

所以只能將圓化成方形,透過計算正多邊形的面積方式來估算出大概的圓形面積,

而圓周率我國早期的數值為3。

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也因此,

許多人都認為西周時期就是中國最早出現圓周率的時間。

西漢時期的劉歆也曾計算出了圓周率的近似值,為3。1547,但或許是因為原著失傳,並沒有得到廣泛的關注。

反而是南北朝時期的祖沖之是我國圓周率計算史上最為有名的數學家,因為他在劉徽“分割圓”的計算基礎上更進一步,

成為了世界上第一個將圓周率小數點後的數字精確到第7位的數學家,即3.1415926和3.1415927之間。

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這項記錄持續了非常長的時間,

一直到了16世紀,1000年左右以後才有一位阿拉伯的科學家再次將其突破。

到了2021年8月17日這一天,國外相關媒體報道,

瑞士有一位學者利用了一臺超級計算機

,總共花了108天的時間,打破了2020年其他人創造出來的世界紀錄,

足足計算出了小數點後第62.8萬億位。

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為什麼科學家們對圓周率如此執著?

很多人認為,圓周率既然屬於是一個無限不迴圈的小數,那麼我們永遠也無法精確到它最後一位,

而在日常生活中,甚至就算是科學領域裡,我們也不需要非常精確的圓周率數值。

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就比如我們計算一個圓的周長或者面積,

哪怕圓周率的小數點後數字再多再精確,我們也只會取其小數點後幾位的數字,甚至還可能只取整數3。

又比如在現代科學中,十幾位小數的圓周率也足夠我們進行各種各樣的精確的計算了,

如果用39位的圓周率來算現階段人類可以觀測到的宇宙大小,那麼其中的誤差遠比一顆原子的體積還要小。

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這樣看來,我們似乎根本沒有必要將圓周率繼續精確計算下去,實際的收益幾乎沒有。

然而為什麼科學家們就偏偏要跟圓周率槓上了呢?

其一是現在很多人都喜歡用圓周率來測算超級計算機的效能,

觀察其每秒可以進行多少運算,監測該計算機的先程序度,甚至還能透過計算圓周率來發現計算機是否出現了錯誤或者故障。

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比如在英特爾公司就曾在推出奔騰處理器的之前,就是在計算圓周率的時候發現出了錯,

才在發行該處理器以前就進行了改正。

如果發現的時間太晚,

這一疏漏將會對英特爾公司造成極大的負面影響,

降低使用者的信任度。

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其二則是人類對於打破不可能的挑戰之心,這是人類不斷打破現有“枷鎖”的表現。

比如在以前,人們還沒有發明出具有高超計算能力的計算機,科學家們是透過“手動”的方式來將圓周率不斷地細化、拓深的。

比如出生於1540年1月28日的魯道夫·範·科伊倫,他根據古希臘時期阿基米德所使用的方法,

幾乎用了一生的時間來計算圓周率的更加精確的數值。

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後來他用2的62次方邊形的周長,成功計算出了圓周率小數點以後的第35位數字,

為此而感到自豪的魯道夫甚至在去世之前留下了遺言,要求後人們將他所計算出來的圓周率數值刻在他的墓碑上面。

無獨有偶,

一位叫做威廉·謝克思的數學愛好者也在19世紀花了大概15年的時間來計算圓周率,

終於在1874年裡得到了其小數點後707位的數字。

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威廉對此感到非常高興且驕傲,並把該數值結論也同樣刻在了自己的墓碑上,以展現自己生前所留下的貢獻和榮譽。但是令人遺憾的是,

他花費了15年才算出的707位小數點後數字,卻其實在第528位開始就已經算錯了。

在後來計算機被髮明以後,人類更是陷入了對圓周率的狂熱

,圓周率小數點後的數字也在以瘋狂的速度不斷向後擴充套件,比如在1949年,圓周率的小數點數字才到了第2037位,到1973年就已經到了第100萬的位置,2002年就達到了1萬億,更別提現在,足足有62。8萬億左右。

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其三則是科學家們試圖研究圓周率中更多的秘密,從而發現宇宙的奧秘。

因為在宇宙中,幾乎隨處可以見到圓的元素,比如恆星、行星、衛星等等,幾乎都是以圓的形態存在於世界。

雖然已經有科學家表示了圓周率是一個無限不迴圈的小數,

但是圓周率一日沒有終結,那麼科學家們也就一日不會停止對它的質疑和研究。

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假如有一天終於有一位科學家將圓周率算到了盡頭,

那麼這也就表示著圓其實根本就不是“圓”,而是一個N變形,只是因為它的邊實在是太多了,

人類才一直沒有將其算透。

同時,人類現有的數學和物理體系框架也都會因此而崩潰,

幾千年來我們關於圓的理論都是錯誤的。

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並且如果圓周率被算到最後一位了,

這也表明了世界上不存在無限不迴圈的數字,同樣也不會有所謂的隨機性和巧合性,

宇宙的萬事萬物都有規律,都是能夠被模擬計算出來的。

除此之外,科學家們還希望能發現越來越多的圓周率小數點後的數值,

來證明一些數學猜想。

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比如數學家弗格森就曾經提出一種猜想,

認為當圓周率達到了足夠的精確度後,我們就可以發現在圓周率中從0到9的數字出現的機率其實都是一致的,

只是因為現階段圓周率的小數點後數字還不夠多,所以我們才沒有發現這些機率的相同性。

事實上,在圓周率的小數點後數字被不斷地增加以後,

弗格森的這一猜想也幾乎得到了驗證。

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譬如我們以“1”來舉例,在圓周率小數點後1萬以內的數值中,“1”出現的次數大概是1026次,在10萬以內的數值裡,“1”則出現了10137次,而在小數點後100萬的數字裡,有99758個“1”,1000萬中更是出現了999333個“1”。

並且除了“1”,

其他的數字出現機率也是非常相似,差距較小的。

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更有趣的一件事是,

理論上而言,圓周率是無限的不迴圈的小數,任意的數字組合都會在其中出現,

例如在已經得到的圓周率中,就出現了連續10個6的數字組成,以及9個7,8個8,7個3,還有“123456789”和“876543210”。

但是到目前為止,

“0123456789”和“9876543210”的組合還未在已知的圓周率中發現,

這或許是因為圓周率的未發現數值還很長,人類對它的研究正在路上。

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可能這也就是數學的魅力所在,

它令無數的數學家為之沉醉,為其不斷付出自己的時間和精力,只為了再多窺見一點數字世界的真相。