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圆周率有尽头吗?爱因斯坦:在宇宙中,圆周率有可能被算尽

来源:网络 编辑:小彩 更新:2026-09-15

很多人对数学的第一印象,往往就是以上这组数字,它被称为圆周率,符号π,是数学中非常重要的一个常数,物理学很多公式中都有π的身影,而且不论多大的圆,它的周长与直径的比值都是π。

和圆息息相关的π,同时也是很多人第一个接触到的无理数,即无限不循环小数,具体介于3.1415926到3.1415927之间。

在数学史上,古今中外的很多数学家都尝试计算过圆周率,我国南北朝数学家祖冲之更是利用割圆术,第一次把圆周率精确到了小数点后7位,而相同的成绩,西方要到千年之后才能实现,所以说在古代相当长一段时间内,我国的数学其实也很强。

但割圆术本质上属于几何法,每向小数点后逼近一位,都需多边形的边数变得更多才行,因此随着数学的进步,比几何法更好用的公式法开始出现,比如无穷级数每次迭代都能得出好几位数字,现代计算机用的也是这种办法。

2021年的今天,圆周率的位数已经达到了小数点后62.8万亿位,这一记录由瑞士科学家们创造,他们让超级计算机连续不停计算了108天零9个小时,最终短暂获得了这一新的圆周率世界纪录,之所以说短暂获得,是因为现在还有其他的超级计算机在运行圆周率计算程序,只要时间够长,62.8万亿位的记录早晚也会被打破。

在研究和计算圆周率的路上,数学家们还发现圆周率不仅是一个无理数,同时还是一个超越数,意思就是说圆周率后每个数字出现的概率都是相等的,只要圆周率足够长,那么我们每个人的出生日期,每个人的银行卡号和身份证号,理论上都能在圆周率中查到。

但今天穷尽算力精确圆周率的过程,其实只是为了验证超级计算机的性能,而不是真正要用到这么多位数的圆周率。

因为在日常生活中,圆周率一般只需要取小数点后2位或者3位就够了,哪怕是以高精度著称的航空航天领域,也只需要精确到小数后9位,利用小数点后39位圆周率计算出的宇宙周长,误差不会超过一个氢原子半径。

由以上事实不难看出,圆周率计算到今天,虚拟意义是远超实际意义的,那么它有没有可能在未来某天被算尽呢?

物理学家认为,一般情况下圆周率是不会被算完的,因为它关系到无理数,而无理数关系到整个数学大厦和物理大厦,如果大厦基石之一的圆周率在未来被证明是有限小数,那么人类文明花费几百年构建出的物理和数学大厦将轰然倒塌。

但既然有一般情况,那么就肯定有非一般的情况

目前的圆周率是以欧式几何为基础的,也就是平直空间,在这个空间内三角形的内角和是180°,圆周率π是无限不循环小数。

但根据爱因斯坦的广义相对论,我们的宇宙在大尺度上并不是平直的,而有可能是向上或者向下翘曲的球面和马鞍面,一旦涉及到非平直空间,欧式几何就不顶用了,因为球面内的三角形内角和肯定是小于180°的,马鞍面上的三角形内角和是大于180°的。

因此在相对论中担任数学基础的,是黎曼几何这样的非欧几何,在更贴近现实宇宙的黎曼几何中,小到原子大到恒星,任何具备静止质量的物体都会不同程度的扭曲时空,从而改变光的路径,进而产生类似球面或者马鞍面的翘曲。

一言蔽之,像黎曼几何这样的非欧几何,由于基本定理不同,其内的圆周率也大不相同,不存在无限不循环的情况,具体能不能算尽要看所在地点的时空弯曲程度。

数学作为不需要外部对照物的学科,很大程度上是对现实宇宙的近似描述而不是完全描述,因此在解决实际问题时,真正规规矩矩采用欧式几何的情况反而很少见,通常都是一起上,哪个精确用哪个,就好像目前的航天器只需要考虑牛顿万有引力,未来的近光速飞船却得考虑到爱因斯坦相对论一样。

总体来看

圆周率能否被算尽,只是局限于欧式几何和欧式空间内的问题,按照目前的计算方法肯定是算不尽的,但进入非欧空间后,圆周率的形式也会发生改变。

量子信息+熵,能解释宇宙的演化吗

热力学第二定律,也许是物理里最根本的几条原理之一。

它说,一个系统的熵只会随时间增加,不会减少。

这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。

熵,说白了就是无序的程度:熵越低,结构越有序;熵越高,越散乱。

糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉,背后都是熵在增加。

人们相信,宇宙的演化也遵循这条定律。

宇宙早年处于低熵状态,一路演化到高熵。

可就在这个过程中,宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。

星系的熵很低,却是在一个高熵的环境里形成的。

这看起来像是在违反第二定律。

这个存在已久的矛盾,正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。

引力、熵与量子信息的交织,是比安科尼理论的视觉主题(图片来源:Physics World) 在爱因斯坦的广义相对论里,有个叫"度规"的数学对象,描述时空是怎么弯曲的;物质沿着这条弯曲走,就表现成了引力。

而在量子力学里,"算符"是对量子态做变换的数学工具。

比安科尼的关键一步,就是把这个"度规"当成量子算符来用,用量子化的方式描述时空的几何。

这样一来,会冒出两个"度规":一个是"真实"的时空度规,一个是由物质和能量诱导出来的度规。

两者之间"差多少",用量子信息论里的一个量来度量,叫量子相对熵。

正是这两个几何之间的量子相对熵,决定了时空怎么演化——换句话说,它给出的运动方程,就是引力。

在低曲率极限下,这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。

可一旦超出这个极限,方程就得被一个叫"G场"的对象修正。

G场生出一个暗能量项,而且是动态的。

暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西;在标准广义相对论里,它由静态的宇宙学常数驱动。

现在冒出一个动态的暗能量项,就有了被实验检验的机会。

比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克(FRW)宇宙模型上。

这是广义相对论对宇宙行为的一级近似,假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。

膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质,或辐射。

宇宙膨胀时,体积变大,总熵也跟着变大。

但正因为体积涨得更快,单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。

总熵在涨,局部熵密度却在降,这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。

那这算不算违反第二定律?比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵:要把熵密度在整个时空区域上积分,而因为体积随时间变大,总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。

所以对辐射主导和物质主导的宇宙,总熵依然随时间增加,第二定律照样成立,尽管局部熵密度在下降。

比安科尼强调,GfE 理论还很年轻,需要实验来验证。

但这项工作揭示了它内在的热力学本质,为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述,也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。

引力,也许并不是什么神秘的基本力,而只是信息与熵的必然结果。

若真如此,宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命,答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。

来源:S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究:G. Bianconi, Physical Review D.

追踪13.4万亿个暗物质!百亿亿次超算用4天完成这场模拟

科技日报记者 刘霞 美国能源部阿贡国家实验室日前发布消息称,该机构科学家借助“极光”百亿亿次超级计算机,完成了迄今规模最大的两次宇宙学模拟。

每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。

这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀,并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。

左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图;右图外圈显示宇宙微波背景辐射,扇区分别展示视线速度(红/蓝)、物质密度(灰)和引力势(绿/蓝)。

图片来源: 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为,极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。

这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度,留下微小的密度差异;随后,引力把这些差异不断放大,最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。

然而,暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。

通过研究物质在宇宙中的分布,有望找到更多线索,探索宇宙最早期的秘密。

暗物质无法被望远镜直接看见,却凭借引力主导星系形成,并塑造更大尺度的宇宙结构。

在模拟中,暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”,团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。

标准宇宙暴胀模型预测,早期宇宙的密度涨落服从高斯分布,也就是最简单的一类随机模式。

科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差,即“原始非高斯性”。

一旦发现可测量的偏差,就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程,从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。

然而,这类信号极其微弱,还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积,统计不确定性难以完全消除。

因此,探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。

而如此规模的模拟对算力要求极高。

团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。

模拟及大部分数据分析约4天完成,目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。

这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目,包括美国能源部支持的暗能量光谱仪(DESI)和NASA的SPHEREx任务,两者目前均处于数据采集阶段。

模拟与前沿观测相互印证,将共同描绘出更为精细的宇宙图景,推动人类对宇宙起源与演化的探索。

来源:科技日报