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世界之极限

所谓“极限”,分自然极限与人为极限。这里面如人类奔跑速度,乃是自然极限;而马路的宽度,则乃是人为极限。自然极限的意义自不必讲,至于人为极限的意义,指的是自然上完全可以实现超越之,但人却定规则不允许超越的事物。这是因为超越之往往会对人类社会不利。

那做为自然与人类社会的集合,科技文化之种类是有限多的吗?这对许多科学家、工程师、文化人来讲可能是很恐怖的问题,他们中许多人坚信科技无限多,这同时也是个相当现实的问题!

记得《黑客帝国》里有一句台词即“一切皆有可能”,其实这并不正确。首先不是所有组合皆有可能,违背科学规律的组合就实现不了。同时组合种类亦并非无穷无尽。因为世界上的大部分事物,都由若干种元素组合而成,但“一切皆为有限”,或说“一切组合皆为有限”,任何集合所包括的单元数量都不能无限多,其组成元素种类也不能无限多。因此,一切即为有限。当然从理论上讲,时间与宇宙岛外的真空除外。

对于数学领域来讲即为如此,比如2和x的组合,有2x、x/2、1/(2x)、2/x、2^x、x^2等形式。任何一种计算方式,都属于某些种类的组合,同时这些种类的数量也为有限多。

集成电路之发展即可说明这一点,摩尔定律从1965年提出开始,就遵守着电路所能集成的晶体管的数目每隔18个月就翻一番的定律,之所以会如此的原因是在于器件尺寸的缩小。但是一开始就有人认为此定律一定会失效,其道理也很简单,即芯片电路的晶体管最小尺寸总不能比原子的尺寸还小!而一个原子的尺寸,大约是零点几纳米左右。至于芯片的最大尺寸,也有上限,这与芯片的功耗和灰尘导致集成电路失效的概率有关。可以改善这个情况的一种方法,就是采用多核的方法,这种方法可以有效地缓解不利情况。但是多核也不能无限的多,因为我们使用的个人计算机或其他电路,其总面积和体积是有限的,最起码不能比桌子大。再加上可使用的半导体材料种类又有限,种种条件就限制了集成电路的种类数量。

以上是集成电路方面的情况,同样的情况还出现在音乐的乐曲种类数目上。

再以音乐乐曲种类为例,音乐之元素是乐符,乐符种类包括若干音阶,每个音阶之音符又分“1,2,3,4,5,6,7”(多、来、米、发、梭、拉、西),钢琴共有五个音阶,可见音乐音符的总种类有限。乐曲是由小节组成的,每首曲子中的小节数目是有限的,每小节中的音符数目也是有限的,因此一首曲子包含的总音符数目有限。乐符组成了所有的乐曲,而几种节拍类型则决定了每小节拥有的音符数。所以,由于没有无限长的乐曲,音乐的种类总数必为有限多。如《但愿人长久》这首流行歌曲,出自苏东坡的词,其原词一共94字,演唱一遍,其长度就达到了4分20秒。流行乐一般也就3~9分钟,而像古典乐或京剧或会长一些,一首曲子可达到十几分钟的时长,但仍然是有长度限制的,绝对不会出现长度为30~60分钟甚至更长的情况。无限长的曲子既不符合人的生理,也不符合逻辑,没有人能永远不停的听下去,所以音乐的长度总为有限,因此其种类也就为有限多。

诗词的数目也是有限的,因为诗词是由文字构成。以中文诗词举例,汉字一共几千、几万而已,一首诗词不超过几十个字,其组成都来自这些汉字,因此诗词的种类总数有限。

人类已经在自然界中发现的与在实验室中人工合成的元素,至21世纪10年代,共有一百多种。虽然科学家仍然在研究合成新的元素,但是如1000号元素,10000号元素以及更大的编号的元素,是肯定实现不了的。而由这些元素构成的化合物,又分为无机化合物和有机化合物,其中无机化合物的数量相对较少一些,而有机化合物由于碳元素化合键是四价键,所以数量较多,两者加在一起,至今共有8000多万种化合物。但是,有机物数量也不是无限多的,如果一个碳链上的原子过多,比如想在一个分子链上结合上亿万个碳原子,也会无法实现。因此不论是无机物,还是有机物,其种类的数量都是有限的。

讲到排列组合的数目,还可以数字图像为例,一幅图画,如果变成数字图像,就等于变成一个由二进制数列组成文件。一般一幅数字图像,最多也就几兆字节的存储空间,而且其文件大小还涉及到分辨率的问题,分辨率过高的时候,人眼是分辨不出来的。其实这个道理就是一幅画的大小总为有限,没有无限多像素之图画。但是其组合的可能性数目是海量多的,其理论上存在的数量多到令人震惊的程度。可见,有一些事物的组合可能性多到甚至若干年后我们的子孙都无法将其穷尽。但是,不管其数量多么庞大,有一点是不可回避的,那就是其种类仍然是有限多的。

此极限理论可适用于一切现象,不论是电子芯片,还是人的身高,以及人的奔跑速度等,都是如此。还有,楼房的最高高度为有限;DNA的种类为有限多(这就造成一个问题,理论上会出现DNA排序相同或接近的生命体)。其成立为证据确凿和毋庸置疑!

自然规律不以人的意志为转移,也即人类不可能改变自然规律,只能利用自然规律改变自然界的物体,而只有准确的理解描述自然规律,我们人类才能改变之。如果我们错误的理解了自然规律,那么我们必然无法改变自然,甚至无法生存。不管我们如何努力,也不会使自然规律的数量增加,我们能做到的只有较好的了解其,按照其办事而已。所以,我们只能发现科学定律,不能发明科学定律,道理便在于此。总会有一天,随着对科学技术的“地毯式搜索”,所有的科学技术,都会被发现和发明,而那时必然是生产力极大发展,人类可以征服整个宇宙的时代。

正因为人类不可能改变自然规律,而自然规律自身又是亘古不变的,从宇宙诞生起就是如此的,所以自然规律的数量是一定的,不会增加,也不会减少。因此随着人类对自然规律的认识,其都会被人类发现,而每发现一个自然界的规律,人类所未知的自然规律就少一个。只要继续研究下去,最后所有的自然规律都会被人类发现,而这一天是一定会到来的。

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