查尔斯·塞费(Charles Seife):纽约大学新闻系教授,曾任《科学》撰稿人,著有《数字是靠不住的》(Proofiness, The Dark Arts of Mathematical Deception)。
有时候,即使是计数这样简单的事情都能让我们体会到,事物所具有的深奥。回到20世纪90年代末期的一天,当时我还是《新科学家》(New Magazine)杂志社的记者,我收到一封广告电子邮件,邮件中吹嘘有一款超级无敌的软件。说这款软件革命性的、高效能的数据压缩软件,足以将每一个数字档案压缩到95%以上,而且不会丢失任何一个比特的数据。如果真的存在这样的软件,难道我的杂志不会抓住机会,向全世界宣称,这个计算机软件将会使硬盘比过去多存储20倍以上的信息吗?
不,我的杂志不会这么做。
因为这样的压缩演算法压根不存在。这是与永动机画上等号的演算法。这样的软件压根就是骗人的把戏。原因就在于鸽巢原理。
鸽巢原理是个简单的计算论证。如果你有n只鸽子,要将鸽子放进少于n的盒子中,至少有一个盒子必须有一只以上的鸽子。显而易见地,这个论证是个强大的工具。举个例子,假设压缩软件真如广告所言,能将每个档案缩小20倍还不会失真的话,那么每个含有2 000比特的档案,会被压缩到只有100比特,然后当演算法反推时,就扩大回其原来的样子,并完好无损。
在对文件进行压缩时,这其中就蕴含了鸽巢原理。假设有许多含有2 000比特的鸽子(确切地说是22000),其数量远远超过了含有100比特(2100)的盒子的数量。如果演算法将前者塞进后者之中,起码有1个盒子里必须有多只鸽子才能完成。用那个含有100比特数据的盒子进行反向演算,把该档案扩大到原来的2 000比特。这是根本做不到的。因为有多重的2000比特的数据被挤进同一个含有100比特的盒子中,演算法无法得知哪一个才是真正的原型,因为它无法进行反向的压缩过程。
鸽巢原理针对压缩演算法的作用有着绝对的限制作用。它确实可以压缩一些档案,通常效果惊人,但它无法进行全部的压缩,至少,如果你坚持十全十美的话,它无法做到。
与鸽巢原理相类似的计数论证,为我们开启了探索整个新领域的大门。德国数学家格奥尔格·康托(Gerog Cantor)采用一种逆向鸽巢原理的方法证明了,即使有无限多个整数,将实数放进由整数标记的盒子也是行不通的。即无穷有不同的层级这几乎是无法想象的推论。整数的无限被实数的无限矮化,而实数又被另一种无限矮化,而另一种无限又被无限多的无限矮化,在我们学会对它们进行计数之前,一切都是未知的。
当鸽巢原理迈入如此深邃的空间时,我们会得到一个更为奇异的结果。物理学中有个原理叫作全息界线,即在任何有限体积的空间中,物质和能量的可能组合数量是有限的。如果真像宇宙学家认为的那样,宇宙是无限的,那么就会有无限多个可见的、如宇宙大小的空间,这些空间都是宇宙大小的巨型泡泡,其中包含物质和能量。如果空间或多或少是均匀的,则我们所在的这个宇宙与大大小小的泡泡相比,并无任何特别之处。把这些假设归纳在一起,将得到一个令人瞠目结舌的结论。
在无限多个宇宙大小的泡泡中,每个泡泡仅配置有一定数量的物质和能量,这意味着我们的宇宙和我们的地球并非仅有一个复制品;鸽巢原理的超限理论表明,每一个可能存在的宇宙,都有着无限数目的复制品。在无限可替换的地球上,不仅有无限个你的复制品,而且,在同一地球复制品上,还有千变万化的无数版本的你:一个版本中的你,有着一条卷尾;另一个版本的你则有着很多脑袋;还有个版本中的你,是靠着装扮成食肉的兔形动物,来换取廉价珠宝而成为人生赢家的你。甚至像数着1,2,3这样简单的事情,也可以引领你步入千奇百怪而又出乎意料的领域。