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宇宙秘密——阿西莫夫谈科学

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『宇宙秘密——阿西莫夫谈科学』

艾萨克·阿西莫夫著

吴虹桥苏聚汉林自新译

上海科技教育出版社

这是一篇读书笔记夹杂读后感,用以测试 slingshot 微信公众号数学公式的表达能力。

issac-asimov.png

Figure 1: 艾萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov)

1. 中文版序

卞毓麟引用卡尔·萨根(Carl Sagan, 1934 ~ 1996)所写讣文道出阿西莫夫的使命:鼓励年轻人奋发学习和投身科学。

carl-sagan.png

Figure 2: 卡尔·萨根,1987 年摄于康奈尔大学。NASA / Kenneth C. Zirkel,CC BY-SA 4.0

阿西莫夫自传三部曲

  1. 《记忆犹新》(In Memory Yet Green)
  2. 《欢乐依旧》(In Joy Still Felt)
  3. 《我,阿西莫夫》(I, Asimov)

in-memory-yet-green.png

Figure 3: In Memory Yet Green

in-joy-still-felt.png

Figure 4: In Joy Still Felt

i-asimov.png

Figure 5: I, Asimov

点出阿西莫夫的写作风格:非常平实的写作风格。

我觉得阿西莫夫不惜在一些普通的事情上耐心费笔墨。在《基地》系列里仔仔细细讲当时以为先进的交通工具,阅读器甚至计算尺。在《 \( \pi \) 之点滴》里不厌其烦讲阿西莫夫级数(其实很简单)。这和列夫·托尔斯泰很像,和歌德也很像。相比较我写着写着就烦了,不想写了。

2. 前言

前言收录了阿西莫夫第一篇随笔《年代久远的尘埃》,写于 1958 年,从家庭主妇扫不尽的灰尘写到大气层写到外太空,最终预言月球上会有足以吞没太空飞船的尘埃,直到 11 年后人类登上月球粉碎了这个预言。

human-on-moon.png

Figure 6: 巴兹·奥尔德林走下登月舱舷梯,1969 年 7 月 20 日,尼尔·阿姆斯特朗摄(NASA,公共领域)

3. 最短暂的瞬间

光速可用于大尺度距离的度量,如地球到太阳距离大约 5 分钟,离我们最近恒星比邻星大约 4.2 光年。在宇宙尺度光年计量距离数字在我们日常范围,还能直观感觉其距离。受此启发阿西莫夫想出用光速度量短暂时间的办法,1 光千米等于光在行 1 千米所用的时间,大约 30 万分之 1 秒的时间,1 光千米等于 1 百万光毫米,1 光毫米等与 1 百万光毫微米,1 光毫微米等于 1 百万光费米1。

这是其中的基本想法。如果如我这么干巴巴的写读者会觉得很没有意思。阿西莫夫还详细阐述了这个想法发现的过程,就一个科普著作而言是难等可贵的。注意『费米』这个单位并不常用,1 米等于 1 亿亿( 10^15 )费米,在中文里非常规整。费米长度单位也是为了纪念费米而设,只是没有推广开。

fermi.png

Figure 7: Enrico Fermi 1943 年在 Los Alamos 的证件照

4. \( \pi \) 之点滴

『第一次使用 \( \pi \) 表示圆周长度与直径长度之比的顶尖数学人物,是瑞士数学家欧拉(Leonhard Euler)。』

LeonhardEuler.png

Figure 8: Leonhard Euler

之后阿西莫夫以 \( \pi \) 的测量和计算为主要线索讲了一段

  1. 希伯来人以及美国某些州立法者认为: \( \pi \approx 3 \)
  2. 腓尼基人测量: \( \pi \approx \frac{22}{7} \)
  3. 阿基米德使用“穷竭法”计算: \( \pi \approx \frac{3123}{994} \)
  4. 祖冲之2《缀术》3: \( 3.1415926 < \pi < 3.1415927 \)
  5. 莱布尼兹导出级数表述: \( \pi = \frac{4}{1} - \frac{4}{3} + \frac{4}{5} - \frac{4}{7} + \frac{4}{9} - \frac{4}{11} + \frac{4}{13} - \frac{4}{15}... \)
  6. 兰伯特(Johann Heinrich Lambert)最终证明 \( \pi \) 是无理数
  7. 以及 \( \pi \) 值的人肉计算以及计算机编程计算。

阿西莫夫并没有提及祖冲之。祖冲之一条是我的补充。另外也补充一个莱布尼兹级数表述的计算机编程计算

func main() {
        pi := float64(0)
        for i := 0; ; i++ {
                n := i*4 + 1
                f := float64(n)
                pi += 4.0/f - 4.0/(f+2)
                if pi > 3.1415927 || pi < 3.1415926 {
                        continue
                }
                fmt.Printf("%d : %d : %.7f\n", i, n, pi)
                break
        }
}
9331200 : 37324801 : 3.1415926

难怪阿西莫夫在文中说

『我自己作为天真的非数学家,几乎没有数学洞察力可言,当最初决定写这篇短文时,我想到,应当用莱布尼兹级数迅速完成简短运算,想你们展示得到 12 位数左右的 \( \pi \) 值是多么容易。但开始后不久我就放弃了。』

但作为一篇科普文章,阿西莫夫还是鼓励读者按莱布尼兹级数计算 \( \pi \) 值,把计算结果写信寄给他。相信他一定收到不少读者来信。我知道 Fabrice Bellard \( \pi \) 2010 年用单个 PC 计算到 2700 billion 小数点后4 。

FabriceBellard.png

Figure 9: Fabrice Bellard

Fabrice Bellard 也是 FFMPEG 的原作者。最近 FFMPEG 9 "lei" 为纪念雷神发布。

ffmpeg9lei.png

Figure 10: 雷神(图片来自雷霄骅 GitHub 主页)

5. 人间天堂

从 12 进制,60 进制讲到角度单位:度、分、秒。在地球表面,角直径映射为线直径

角直径 线直径
1 度 111 千米
1 分 1.85 千米
1 秒 31 米

月亮的角直径为 31 分,映射到地球表面线直径为 \( 1.85 \times 31 = 57.4 \) 千米,按面积有 1 万平方公里那么大,可以覆盖纽约州那么大。对八大行星也如此处理

行星 角直径(秒) 线直径(米)
水星 12.7 390
金星 64.5 1984
地球 21600 39960000
火星 25.1 774
木星 50.0 1539
土星 20.6 634
天王星 4.2 130
海王星 2.4 73

地球是我加上去的,自己挡自己,地球线直径等于地球周长大约 4 万千米。对可见的 20 亿颗恒星也做如是处理,把宇宙中的卫星(月球),行星,以及恒星都投射到地球表面,他们的视面积和我们熟悉的面积有一个比较,增加感性认识,天上星星拉到人间,这就是“人间天堂(Heaven on Earch)”标题的含义。

heaven-on-earth.png

Figure 11: 人间天堂(Heaven on Earth)

6. 从卵子到最小生命单位

在人体卵子是最大细胞,精子是最小细胞。而一些细菌单细胞生物比人类精子还小。而最小的病毒,亚细胞,口蹄疫病毒,由 7 万个原子组成,是最小的生命单位。

7. 你也会说盖尔语

“盖尔语”指“稀奇古怪的化学名称”,由于其很长,字节之间猛一看没什么特殊规律而得名。

8. 缓缓移动的手指

探讨生物体到底能活多久,尤其对哺乳动物,除了人之外,提出心跳次数约等于 10 亿次。

9. 感叹号!

阿西莫夫级数

\begin{equation} e ^ {-1} = \frac{1}{2!} - \frac{3}{4!} - \frac{5}{6!} - \frac{7}{8!} - \frac{9}{10!}\ldots \end{equation}

艾西莫夫文中说,我待数学如初恋,数学对我很冷漠。真是同感呀。

10. 我正在打量幸运草

『我的记忆里特别有选择性,以至于从来忘不了杜撰的故事,虽然时常难以记住事实。』

借机提出阿西莫夫宇宙起源原理:宇宙起源于无。

four-leaved-flovour.png

Figure 12: 幸运草(四叶苜蓿)

我发现阿西莫夫不喜欢用图,可能画图会影响写作速度。本书有 1/3 了才出现第一张图。我把图拍照为图片,让智能体(费米)想办法识别复刻。费米后面是 deepseek-v4-flash 模型,并没有识图能力,可他也不傻,他把图上载到 deepseek 网页版识图模式,要求识图并用 tikz 描述图像内容,方便他按 tikz 描述复刻出来。我看基本样子是有的。

11. 12.369

『1 年不是 12 个太阴月,而是 12.369 个太阴月』

于是阿西莫夫“沉溺于我自己的一点神秘主义之中”。我甚至没看出这篇文章的具体价值,但阿西莫夫一样的娓娓道来,文中多次提及《圣经》,丝毫不觉得惭愧,甚至还位置写“后记”。我想这就是“大师风范”吧。就像歌德谈及自己的“光学研究”,笃信不输于牛顿一样。

12. 敲打塑料

我记得杨振宁教授也讲过悬挂在玻尔(Niels Bohr)教授书桌墙壁上方马蹄铁是否带来好运的故事,版本和阿西莫夫所讲述基本相同,玻尔回答:“当然不,我一点都不信那样的胡说,只是有人告诉我,无论我信不信它,它都会给我带来好运气。”

之后开始嘲讽大多数人的非理性信念

  1. 神灵保佑
  2. 灵魂转世,永生不死
  3. 天地万物是有意向的
  4. 个体有特殊本领,能无中生有
  5. 你比别人优越
  6. 总能甩锅

13. 迟疑,腼腆,难以取悦

阿西莫夫讲男女关系。没有什么值得一提的观点。

14. 勒克桑墙

唯有光速不可逾越。

改变后的洛伦兹方程

\begin{equation} m = \frac{m_0}{\sqrt{1 - (\frac{v}{c})^2 }} \end{equation}

对静止质量非零,速度必须小于光速。对光子

\begin{equation} m0 = m \sqrt{1 - (\frac{v}{c})^2} \end{equation}

当 \( v = 0 \) 时, \( m_0 = 0 \) 。光子的静止质量为 0 。静止质量为 0 的粒子

  1. 光子
  2. 引力子
  3. 中微子

静止质量为 0 粒子必须以光速行进。以光速行进的粒子归并一处,称为洛克桑(luxons)。至此都是符合物理的内容,但阿西莫夫是个科幻作家,展开想象把宇宙分为孪生的

  1. 亚光速宇宙
  2. 超光速宇宙

两个宇宙相遇在洛克桑墙。我已经过了讨论这个问题的年纪,因此看到洛克桑墙就止住了。

15. 庞培与命运

我还是更喜欢阿西莫夫在《基地》系列讲述历史,我相信是和《庞培与命运》同一段历史。庞培失败在于他不明白『枪杆子里出政权』。

16. 丧失于未翻译

这篇随笔有一个美丽罗宾的开头,后跟冗长,散发着腐朽霉味的《圣经》故事,还是从以色列犹太人的视角,试图挖掘出一些对当代美国有益的教诲。我想强如阿西莫夫也没有能够达成这个目的。

17. 古老与终极

古老与终极是指书——语言及其存储形式在我们信息来源中占绝对优势,以至于如果缺少了它们,我们将一事无成。因此梁文锋认为

  1. 多模态是要做的,但在通往 AGI 的道路上优先级不那么高
  2. 音视频生成则完全和 AGI 没什么关系。

18. 长时间注视猴子

科普达尔文进化论的阿西莫夫,依然与《圣经》中的理念搏斗。

19. 关于思考方式的思考

阿西莫夫对聪明的反思,按一般观念,聪明与以下情况相联系

  1. 善于积累知识性的东西
  2. 记住这些东西
  3. 已经需要,迅速想起这些东西

当下大语言模型具备以上三个特征。随后阿西莫夫举了两个反例

  1. 同时具备以上三个特征的人也可能很愚蠢——比如专门参加电视智力竞赛节目的选手
  2. 一个人可能在以上三个方面表现平平,却也会很聪明——很多聪明的人往往心不在焉,甚至记不住自己名字

阿西莫夫几乎把聪明与数学的能力划等号!无怪乎当下大语言模型执着于数学猜想的证明(或证伪),难怪活跃在 AI 领域的人物和参加奥赛的几乎是一批人;菲尔兹得主转身加入 OpenAI。

20. 全速倒退

只有两个选择:要么坚持科学技术的可能的胜利,要么摒弃科学技术的注定的失败。

21. 最微妙的差别

生与死最微妙的差别在于“灵魂”的有无,组成粒子有组织熵减就是有“灵魂”,组成粒子无组织熵增就是没有“灵魂”。

22. 漂浮的水晶宫

第一次知道 90%的冰山来自格林兰;以及巨大的南极冰盖;人类可怜的淡水资源。

23. 噢,科学家也都是人啊!

科学家也都是人啊,对待数据也可能不很严谨。

24. 米尔顿,此时此刻你应该活着!

阿西莫夫认为米尔顿《失乐园》是一部科幻作品,而且是关于多重宇宙的科幻作品。

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米尔顿的《失乐园》真是在《圣经》的道场做科幻,有声有色,可真不是件容易事。

25. 质子在许许多多个夏天后死去

讲最稳定粒子——质子的衰变。枯燥至极,也看不到意义。还好文章开头小故事有趣。

26. 地球的圆圈

讲地球是圆的,以及《圣经》中讲地球是扁平的段落,推断《圣经》作者写作时可能是怎么想的。

27. 什么卡车?

讲文科硕士道奇(Ernest Green Dodge)在《人能登上月球吗?》(Can Men Visit the Moon)一文中想到和没想到的登月困难。

28. 关于思维方式的再思考

阿西莫夫站台明斯基的一次午餐演讲。

29. 远至人眼可见的未来

讲整个宇宙的生死。我看这篇和主流叙事并不吻合,但订正起来异常麻烦,因此放弃这个打算。加之这篇特别难读,甚至可以称之为晦涩。估计这是阿西莫夫在开篇加一个税务的小笑话的缘故。税务局发给阿西莫夫的信函,也是晦涩难懂的。以至于阿西莫夫理解的相反。由此看这篇一般读者的阅读体会,相比也差不多。白惹味,我并不是一般的读者。

30. 错误的相对性

阿西莫夫在“错误的相对性”中屡屡提及地球曲率:0.000126 。还解释其物理涵义:每千米 12.6 厘米相较于平面的弯曲。我不知他哪里看来的这个数。地球曲率

\begin{equation} K = \frac{1}{R} = \frac{1}{6371} = 0.00157 \end{equation}

一个可能的错误解释

  1. 按直径的倒数算曲率
  2. 把地球直径按英里单位记成了 7920

31. 圣诗人

阿西莫夫讲诗歌的影响力。我却想到了毛主席《在延安文艺座谈会上的讲话》,好的诗歌要唱出人民大众的心声。因此不存在所谓“圣诗人”,是人民,借诗人之口,唱出自己内心想说的话,也是最想听的话。

32. 最长的河

讲最长河流尼罗河的历史,文化以及起源。

nile-river.png

Figure 13: 尼罗河——最长的河流

中 英 说明
坦噶尼喀湖 Lake Tanganyika 未标注,在 Kigali 下方
卡盖拉河 River Kagera 流入维多利亚湖
维多利亚湖 Lake Victoria  
维多利亚尼罗河 Victoria Nile 流出维多利亚湖的河流
白尼罗河 White Nile  
青尼罗河 Blue Nile  
美利斯湖 Lake Moeris 开罗(Cairo)西南,特意标注

尼罗河自南向北流入地中海,沿岸的风却常年从北向南吹——那是从地中海来的北风。北去的船收帆顺流,南行的船张帆借风:水送船北去,风送船南行。阿西莫夫把对人类贡献最大的河,判给了尼罗河。尼罗河当得起这个评价:每年夏天准时泛滥一次,把淤泥送到田里,埃及人几乎不用费力,文明就长出来了。可他大概忘了长江。长江是世界第三长河,论养人的功劳,不输尼罗河半分——鱼米之乡、千年航运、亿万生民,都靠着它。只是长江没有那样的好脾气:尼罗河年年温顺地涨落,长江却时而慷慨、时而暴怒,一怒便是千里泽国。温和的河与暴烈的河,各自养大了各自的文明。

33. 宇宙秘密

阿西莫夫讲悖论。阿基里斯赶不上乌龟

\begin{equation} 10 + 1 + \frac{1}{10} + \frac{1}{100} + \ldots = 11\frac{1}{9} \end{equation}

对这个序列的几何解释,阿西莫夫写了一页

\begin{equation} 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{4} + \frac{1}{8} + \frac{1}{16} + \ldots = 2 \end{equation}

问儿子,这个序列等于几?他认为等于无穷大。拿下面这个图给他看了看,他明白了

s2.png

Figure 14: 正方形一半的面积相加示意

这个数列里包含了自相似的思想,自相似导出了分型的思想。分型、自相似应用到宇宙创生,科学研究上引出了物理学家海因茨·帕格尔斯(Heinz Pagels)的问题: 『他问:“你们说,将来某一天,一切科学问题全部都得到了解决,我们无事可做了,这有没有可能?还是说,全部得到解答是不可能的事?有没有什么办法,让我们现在就能断定上述两个情形哪个是正确的?”』之后围绕海因茨这个问题展开,直到海因茨的死亡:『他踩到了一块松动的岩石。脚下的岩石晃动着,他就失去了平衡,滑下山腰摔死了,终年 49 岁。』

heinz-pagels.png

Figure 15: 物理学家海因茨·帕格尔斯(Heinz Pagels)

Footnotes:

1

Fermi 1901 年生于罗马,物理学家,1938 年诺贝尔物理学奖(中子轰击产生新放射性元素),曼哈顿计划关键人物,第 100 号元素锿(Einsteinium)旁边的 Fermium(镄)以他命名。文中那个「1 光费米」的梗也正好:费米是个极小的长度单位(1 费米 = 10⁻¹⁵米),阿西莫夫借它把时间尺度往下压。

2

祖冲之(429 年—500 年),字文远,南朝宋、齐时期科学家。他不仅在天文历法(大明历)、机械制造(指南车、千里船)上卓有成就,其数学成就更属于世界顶尖水平。具体贡献:他将圆周率的精度推算到了 3.1415926 与 3.1415927 之间(即“盈朒二限”)。为了实用和记录,他给出了两个分数形式的近似值,约率:\( \frac{22}{7} \) ,密率:\( \frac{355}{113} \)

3

文献依据:虽然祖冲之原著《缀术》已失传,但该数据被记载于唐代编修的《隋书·律历志》中,明确记载:“祖冲之更开密法,以圆径一亿为一丈,圆周盈数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒七忽( 3.1415927 ),朒数三丈一尺四寸一分五厘九毫二秒六忽( 3.1415926 ),正数在盈朒二限之间。密率:圆径一百一十三,圆周三百五十五( \( \frac{355}{113} \) )。约率:圆径七,周二十二 ( \( \frac{22}{7} \))。”这是该公式现存最早的可靠文献出处。