Математические понятия: теория чисел, криптография
Каждый слышал от кого-нибудь: «Это случайность». Но что есть случайность? И как математическая случайность связана с нашей повседневной жизнью?
Оказывается, что в эпоху Интернета случайность крайне важна. Онлайн-сделки – включая банки, розничную торговлю и другие организации, которым необходима передача конфиденциальной информации, – основаны на генерировании случайных чисел для безопасного соединения (см. главу 4.3). Ряд чисел является случайным, если в нем нет видимой закономерности и нельзя предугадать, какое число появится после любого другого числа в последовательности. Когда вы играете в кости, числа выпадают случайным образом, но так как объем онлайн-операций огромен, а требования к случайным числам настолько велики, кинуть кости или вытащить цифры для них просто невозможно.
Ученые обратились к компьютерам, чтобы генерировать случайные числа, но так как компьютеры «в глубине души» являются детерминированными машинами (следуют правилам), то генерируемые компьютером случайные числа – вовсе не случайны. Если бы кто-то узнал алгоритм, по которому компьютер выбирает числа, а также начальное число, этот человек в теории мог бы предугадывать числа в последовательности. Последовательность выглядит случайной, но в реальности таковой не является. Вот почему компьютерные генераторы случайных чисел также известны как генераторы псевдослучайных чисел.
Однако ученые приблизились к созданию действительно случайных чисел с помощью устройств, изучающих такие физические явления, как радиопомехи, квантовое поведение фотонов и выделение тепла. Эти явления могут определить свою собственную случайность без алгоритмов, созданных человеком. Так как наше доверие к случайности растет вместе с доверием к Интернету, нам нужны все по-настоящему случайные числа, какие только возможны.
Генераторы случайных чисел – это не просто инструменты в руках ученых и математиков. Если вам нравится играть в лотерею, вы можете воспользоваться некоторыми сайтами, которые генерируют случайный выбор лотереи. Просто надо знать, что это не обязательно приведет вас к выигрышным числам.
4.8. Степени десяти
Математическое понятие: масштаб
В 1977 году дизайнеры Чарльз и Рэй Имзы выпустили фильм, где продемонстрировали широкий спектр размеров в нашем мире, начиная от царства крошечных атомов и заканчивая границами известной нам Вселенной. Фильм «Степени десяти» начинается с показа пары, отдыхающей в парке Чикаго. Камера расположена в метре над парой и вскоре начинает удаляться: каждые десять секунд камера отъезжает в десять раз дальше, чем она была до этого, и в следующем кадре показано в десять раз больше, чем в предыдущем. Вскоре зритель видит весь Чикаго, а потом и всю Землю. В конце концов, зритель покидает Солнечную систему и даже галактику Млечного Пути, путешествуя сквозь световые годы, чтобы увидеть структуру галактик во Вселенной.
Затем камера возвращается к паре и начинает приближаться, фокусируясь на руке мужчины. Теперь камера приближается в десять раз ближе каждые 10 секунд и в конце концов показывает протоны и нейтроны в ядре атома углерода в руке мужчины.
В целом путешествие охватывает 40 степеней десяти от 10–16 до 1024 метров. Путешествие стало возможным путем добавления нуля к концу шкалы измерения.
Некоторые числа можно назвать, но для восприятия они слишком велики. Одно из таких чисел – гугол = 10100 или 1 и 100 нулей после нее. Название «гугол» было создано в 1938 году Милтоном Сироттой, 9-летним племянником математика Эдварда Каснера. Насколько гугол большой? Представьте, что общее количество элементарных частиц во Вселенной составляет примерно 1080.
4.9. Метрическая система
Математическое понятие: система измерений
Для большинства стран мира стандартной системой измерения является метрическая система. Метрическая система была изобретена во Франции в 1799 году и была предназначена заменить разные стандарты измерения в Европе, которые отличались в каждом городе, округе и стране. Метрическая система облегчает измерения, определяя стандартную цифру основных единиц – метр, килограмм и секунда, – и позволяет людям модифицировать их, добавив префикс. А так как префиксы основаны на кратных числах 10, метрическая система еще известна как десятичная система. Вот некоторые префиксы:
Микро = 1/1 000 000
Милли = 1/1000
Санти = 1/100
Деци = 1/10
Дека = 10
Гепта = 100
Кило = 1000
Мега = 1 000 000
Так, например, километр – это расстояние, равное 1000 метрам, миллиграмм – масса, равная 1/1000 грамма. Другие базовые метрические единицы включают в себя ампер для электрического тока; кельвин для термодинамической температуры; моль для количества вещества; и канделу для света.
Одним из самых захватывающих аспектов метрической системы является то, как собственно определяются базовые единицы. Давайте рассмотрим метр. Сначала стандартный метр был охарактеризован как 1/10 млн расстояния между экватором и Северным полюсом, измеренное через Париж. Но из расчетов было исключено небольшое уплощение кривизны Земли, то есть расчеты отклонялись на 0,2 мм (Земля не идеальный шар). Позднее в 1889 году метр был определен как длина определенного металлической перекладины из платины или иридия. Однако ученым было неудобно использовать такие стандарты, так как перекладина могла менять форму в разных температурах и деформироваться при неправильной поддержке; любая попытка определить температуру метровой перекладины и системы поддержки должна была бы опираться на метрические единицы, включая сантиметры. Но так как метровая перекладина должна быть стандартной метрической единицей длины, то измерение ее с помощью других метрических единиц просто невозможно.
В наши дни стандартный метр измеряется более универсальным образом: как расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299,792,458 секунды.
Английская система отличается от метрической тем, что ее единицы измерения разрабатывались в Англии веками и включают в себя единицы, которые использовали древние римляне и англосаксы. Названия этих единиц довольно благозвучны и включают такие термины, как «драхма», «пинта», «хогсхед». Ну, а если вы разбираетесь в вине, то знаете, что 4,5-литровая бутылка называется Реобоам, а 15-литровая – Навуходоносор.
4.10. Аттосекунды
Математическое понятие: система измерения
На самом базовом уровне математика изучает числа, и некоторые из этих чисел просто немыслимы. Например, каков самый короткий промежуток времени, который человек может измерить?
Недавно ученые из Института нелинейной оптики и короткоимпульсной спектроскопии Макса Борна в Германии нашли способ измерять события с интервалом в 12 аттосекунд. Насколько коротка аттосекунда? Одна из них равна 1/1,000,000,000,000,000,000 секунды. Сколько это? За одну аттосекунду свет может пройти длину трех атомов водорода. Чтобы понять этот неимоверно короткий промежуток времени, проведем аналогию: соотношение аттосекунды и секунды – это как соотношение секунды и 32 миллиардов лет (что почти в три раза превышает возраст Вселенной).
Префикс «атто-» значит «18» на датском и стал частью порядка величины метрической системы. Метрическая система имеет широкий спектр префиксов. Вот текущий список префиксов:
Иотта – 1024, или 1 септильон
Зетта – 1021, или 1 секстиллион
Экса – 1018, или 1 квинтильон
Пета – 1015, или 1 квадриллион
Тера – 1012, или 1 триллион
Гига – 109, или 1 миллиард
Мега – 106, или 1 миллион
Кило – 103, или 1000
Милли – 10–3, или 1 тысячная
Микро – 10–6, или 1 миллионная
Нано – 10–9, или 1 миллиардная
Пико – 10–12, или 1 триллионная
Фемто – 10–15, или 1 квадриллионная
Атто – 10–18, или 1 квинтильонная
Зепто – 10–21, или 1 секстиллионная
Иокто – 10–24, или 1 септильонная
Флэш – персонаж комиксов, который может передвигаться со скоростью света, он может воспринимать события, которые длятся меньше, чем аттосекунду, за это время вы, конечно, даже моргнуть не успеете.
4.11. Золотое сечение в искусстве и архитектуре
Математическое понятие: золотое сечение
Что общего у «Тайной вечери» да Винчи и «Сотворении Адама» Микеланджело? Они включают в себя то, что называют золотым сечением, соотношением чисел, которое можно найти как в природе, так и в человеческой деятельности.
Если вы помните из уроков математики, соотношение – это способ сравнения двух чисел или измерений. Например, предположим, что у вас есть четырехдверный седан. В нем будет 4 сиденья и, скорее всего, 4 колеса. Следовательно, соотношение колес и дверей будет составлять 4:4. (Мы можем уменьшить это соотношение как 1:1.) Или предположим, что вы любите животных и у вас 2 собаки и 5 кошек. Соотношение собак и кошек в вашем доме будет составлять 2:5.
Золотое сечение похоже на такого рода соотношения, только вместо 1:1 или 2:5 золотое сечение составляет 1:1,618. (Второе число на самом деле уходит в бесконечность без повторов, я просто его укоротил для удобства. Вообще оно выглядит как-то так: 1,61803398874989…)
Золотое сечение можно также найти в фигуре под названием «золотой прямоугольник». Соотношение ширины и длины этого прямоугольника равно 1:1.618 (продлен до бесконечности). Кроме того, если вы нарисуете внутри прямоугольника квадрат, то оставшийся прямоугольник имеет те же пропорции, что и изначальный прямоугольник! Другими словами, соотношение меньшей ширины и меньшей длины (b: a) равно соотношению большей ширины и большей длины (a: a + b).
Архитекторы и художники использовали золотое сечение в своих работах в течение тысячелетий, с тех пор, как человечество решило, что эта пропорция особенно приятна для глаза. Вот несколько примеров:
• Воображаемый прямоугольник, начерченный вокруг передней части Парфенона в Афинах, имеет эти пропорции.
• Великая пирамида в Гизе, одно из оригинальных семи чудес света, также включает в себя золотое сечение. Соотношение длины одной из сторон пирамиды – наклонной – и половины длины основания равно 1,61804.
• Если проанализировать «Тайную вечерю» да Винчи и «Сотворение Адама» Микеланджело на потолке Сикстинской капеллы, вы заметите, что обе композиции основываются на золотом сечении.
В любом музее будет полно примеров 1:1,618, как и в любом городе. Эти цифры вас окружают.
Многие верят, что люди использовали золотое сечение в искусстве и архитектуре на протяжении тысячелетий. С другой стороны, некоторые математики считают, что нет доказательств таким утверждениям и заявления, что в создании Великих пирамид, Парфенона или даже в работах Леонардо да Винчи использовано золотое сечение – всего лишь миф.