皇帝新脑-第16章
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这个推广的数的系统被称为“实”数系统――就是那些可以无限小数展开的熟悉的数，譬如…583。70264439121009538…
按照这样的表述，π可写成众所周知的表式π=3。14159265358979323846…正有理数的平方根（或立方根或四次方根等等）是还能以这种方法表达的数的类型，例如① 实际上，关于年份的通常惯例并不与此完全相符，这是因为零年被忽略去了。2 = 1。41421356237309504…；或者任何正实数的平方根（或立方根等等），正如伟大的瑞士数学家列纳多？欧拉发现的π的表示：
｛ ｝ π ／ ／ ／ ／ ／ … 。 = 6（1＋1 4 ＋1 9 ＋1 16 ＋1 25 ＋1 36 ＋ ）
实数实际上是我们日常必须打交道的数的种类，虽然通常我们仅仅关心它们的近似值，只要展开到很少的几位小数位就满意了。然而，在数学的陈述中我们要准确地指定实数，要求某种无限的诸如整个无穷小数展开的描述，或者也许如上述由瓦里斯、格里高里和欧拉给出的π的其他的无限的数学表达式。（我将通常用小数展开，只是因为这些是最熟悉的。对于数学家而言，存在不同的令人更满意的表达实数的办法，但我们在这里不必为之忧虑。）
人们也许会感到处理全部的无限展开是不可能的。但事情并非如此。
简单的反例是1/3=0。333333333333333…这儿的点表明3的序列将无限地延伸下去。为了处理这个展开，我们所需要知道的是，只要肯定这个展开以同样的3的方式无限地继续下去就行了。任何有理数都有重复（或有限）的小数展开，例如93/74=1。2567567567567567…此处序列567无限地重复下去，而这可以被完全地处理。而表式0。220002222000002222220000000222222220…定义一个无理数，也一定可以被完全处理（每一次0序列和2序列都增加一位）。还能给出许多熟知的例子。在每一种情形下，只要我们知道展开所根据的法则也就满意了。如果有某种产生连续位数的算法，则该算法就提供我们处理整个无限小数展开的方法。其展开可被算法产生的实数称为可计算数（还可参见第59页）。（在这里使用十进位，而不用譬如讲二进位展开，并没有什么深意。）刚才考虑的π和 是可计算数的例子。 2在每一种情况下，仔细叙述这些规则是稍微有些复杂，但在原则上并不难。
然而，在这个意义上还有许多不可计算的实数。我们在上一章已经看到，存在不可计算的但仍为完好定义的序列。例如，我们可取一个小数展开，其n位数取1或取0依图灵机作用到n时停止或不停止而定。一般地讲，对于一个实数，我们仅仅要求必须有某种无限的小数展开。我们不要求是否有一产生第n位数的算法。我们甚至也不要知道在原则上实际定义该n位数的规则2。可计算数是很难纠缠的东西。即使只处理可计算数，人们也不能够使它的所有运算保持为可计算的。例如，甚至一般地去决定两个可计算数是否相等也不是可计算的事体！由于这类原因，我们宁愿处理所有的实数。在这里小数展开可以是任意的，而不必只是可计算序列等等。最后，我应指出，在结尾以无限个接续的9和无限个接续的0展开的实数之间有一等同；例如…27。1860999999…=…27。1861000000…。有多少个实数？让我们喘息一下，来鉴赏在从有理数过渡到实数时所得到的推广的广阔性。最初人们也许会以为，整数的个数比自然数的更多，由于每一自然数都是整数，而某些整数（也就是负的）不是自然数。类似地，人们也会以为分数的数目比整数的数目更多。然而事情并非如此。按照极有创见的俄裔德国数学家――乔治？康托在十九世纪后半叶提出的强有力的美丽的无限数理论，分数的总数目、整数的总数目和自然数的总数目是一同样的前的十七世纪初叶，伟大的意大利物理学家和天文学家伽利雷？伽利略也部分地预料到这一类思想。在第五章将会提到伽利略的其他一些成就。）
人们可用如下建立的“一一对应”的办法来显示整数和自然数具有同样的数目：请注意，每一整数（在左列）和每一自然数（在右列）在表中出现一次并只有一次。在康托的理论中像这样的一一对应的存在建立了左列物体的数目和右列的是一样的命题。这样，整数的数目的确和自然数的数目一样。
在这种情形下数目为无限，但这没关系。（发生在无限数中的仅有的古怪事情是，我们可以从一个表上取走一些数而仍然能找到两个表之间的一一对应！）以某种类似的但更复杂的形式，人们可在分数和整数之间建立起一一对应（为此我们可似采用把一对自然数（分子和分母）代表为一个单独自然数的方法；参阅
第二章47页。）可以和自然数建立一一对应关系的
整数是可列的，所有的分数也是如此。
有没有不可列的集合呢？虽然我们进行了自然数首先到整数、然后到有理数的推广，但是我们实际上并没有增加所处理对象的总数。也许读者已得到印象，以为所有无限集都是可列的。不对，在推广到实数时情况就变得非常不同。康托的一个最重大的成就是，他指出了，在实际上实数比有理数有更多的数目。康托进行论证的办法在第二章被称为“对角线删除法”。这个方法被图灵用来表示图灵机的停机问题是不可解的。康托的论证，正如图灵的办法，是用反证法的步骤。假定我们所要建立的结果是错误的，也就是所有的实数的集是可列的。那么在0和1之间的实数肯定为可列的，而我们存在某种列表，可将实数和自然数之间进行一一配对，譬如我已把对角线上的位数用黑体字写出。对于这一特殊的表，这些位数分别为1，4，1，0，0，3，1，4，8，5，1，…而对角线删除步骤是（在0和1之间）构造一个实数，其小数展开（在小数点后）在每一对应的位数上和这些位数都不同。为了确定起见，让我们讲，只要对角线位数和1不同的都为1，而对角线位数为1的都为2。我们在现在情况下就得到了0。21211121112…
的实数。这个实数不可能出现在我们的表上。这是因为它在（小数点后的）
第一位数上和第一个数不同，在第二位数上和第二个数不同，在第三位数上和第三个数不同等等。由于我们假定这个表包含所有在0和1之间的实数，所以这是一个矛盾。这一矛盾导致我们所要证明的，也就是说，在实数和自然数之间没有一一对应。相应地，实数的数目实际上比有理数的数目更大，因而不是可列的。实数的数目是标为C的无限数。（C的意思是连续统，这是实数系统的另一名字。）人们会问，譬如讲，为何这一个数顺便可以提及，可计算数是可列的。为了数这些数，我们只要顺序列出那产生实数的图灵机（也就是产生实数连续位数的机器）。我们可望从这表中除去产生任何早先出现在表中的实数的图灵机。由于图灵机是可列的，所以可计算的实数也一定是可列的。我们为何不能把对角线删除法应用到该表上以产生一个不在该表的新的可计算数呢？回答是基于这样的一个事实，即我们不能一般地可计算地确定，一台图灵机是否在这表上。
为了做到这一点，事实上也就涉及到我们能够解决停机问题。有的图灵机，可以开始产生一个实数的数位，然而停住而永远不再产生另一数位（因为它“不停止”）。没有可计算的方法去决定哪一台图灵机会以这种方法卡住。这基本上是停机问题。这样，我们对角步骤会产生某实数，这数不是可计算的。这个论证事实上可用于表明不可计算数的存在。图灵用于显示不能算法地解决的，正如在上一章所罗列的各类问题的存在，正是精确地沿用了这种推理方法。我们在后面还会看到对角线删除法的其他应用。实数的“实在性”
我们先不管可计算性的概念。由于实数似乎提供了测量距离、角度、时间、能量、温度或者许多其他几何和物理量的大小，所以被叫作“实”的。然而在抽象定义的“实”数和物理量之间的关系，不像人们所想象的那么一目了然。实数点被当成数学的理想化，而不是任何实际物理客观的量。例如，实数系统具有如下物质，在任何两个实数之间必有另一个实数，而不管该两数靠得多近。人们根本就不清楚，物理的距离或时间是否现实上具有这一性质。如果我们不断地对分两点之间的物理距离，最后就会到达这样微小的尺度，以至于在通常意义下的距离概念本身不再具有意义。人们预料在次原子粒子的1020分之一的“量子引力”尺度下①，这的确会发生。但是为了和实数相匹配，我们就必须走到比它小得任意多的尺度：例如10200分之一，102000分之一或1010200分之一的粒子尺度。人们一点也不清楚，这么荒谬的微小尺度究竟有什么物理意义。类似的议论也适用于相应的微小的时间间隔。
物理学选用实数系统的原因在于它的数学上的可用、简单、精巧以及在非常广大的范围内和距离似及时间的概念相符合。它之所以被选用并不是因为知道它和这些物理概念在所有的范围中都一致。人们还可以预料到，在非常微小的距离或时间的尺度下，不存在这样的一致。人们通常用尺来测量简单的距离，但这样的尺在我们追溯到它们自身原子的尺度时，就变得粗糙起来。这一切并不妨碍我们继续准确地利用实数，但要经过更加精细的处理，才能测量更小的距离。我们至少要有点怀疑，在极小尺度的距离下，也许最终存在有根本原则上的困难。自然对于我们真是恩惠有加，我们从小习惯用于描述日常或更大尺度的事物的同一实数，在尺度比原子小很多，肯定在比“经典”的次原子粒子，譬如电子或质子的经典直径小百倍的尺度下仍然有用，似乎直到比这粒子小二十个数量级的“量子引力尺度”仍然适用。从经验得知，这是极不寻常的推论。熟知的实数距离的概念似乎还可外推到最遥远的类星体以及更远处，至少给出了至少1042也许1060甚至更广的大范围。事实上，实数系统的合适性通常是不可置疑的。我们原先和实数相关的经验主要被限於相对有限的范围，人们为什么对实数于物理精密描述的可用性如此信心百倍呢？这种信念――也许是不当的――必须来源于（虽然这个事实经常不被承认）实数系统逻辑的优雅、一致性和数学的威力以及对自然的深刻数学和谐的信仰。
① 注意1020表示100000000000000000000，也就是1后面跟二十个0。复 数实数系统并没有全揽数学的威力和优雅品格。其中仍有一些讨厌之处，例如只能对正数（或零）而不能对负数取平方根。先不讲和物理世界有直接关系的任何问题，单从数学的观点知道，如果能像处理正数那样对负数求平方根，那就极其方便了。让我们简单地假定，或“发明”数…1的平方根。我们用i来表示它，所以就有i2=…1。
当然i的数量不能是实数，因为任何实数自乘的结果总是正数（或是零，零自乘得零）。由于这个原因，习惯上用“虚数”来称呼其平方为负数的数。正如我早先强调的，“实”数和物理实在的关系不像初看起来那么直接、那么令人信服，这里实际牵涉到数学的无限精细化的理想化，自然并没有先天地保证这种做法的合理性。
一旦有了…1的平方根，就可以不费劲地得到所有实数的平方根。如果a为一个正实数，则量i× a是负实数 的平方根。（还有另一平方根 × 。） 本身又如何呢？ … a i i … a它有平方根吗？它的确有，很容易检验量（1＋ i） 2 ／（以及它的反号）的平方得i。这个数有平方根吗？答案又是肯定的；量（ ） 1 1 2222＋＋ i（1 1 ） － ／ 或者它的反号的平方的确为 ／ 。 （1＋ i） 2我们注意到，在形成这样的量时，我们允许把实数和虚数相加，也允许把我们的数乘任意实数（或除以非零的实数，这相当于乘以它们的倒数）。所得的结果称为复数。复数是具有形式a＋ib的数，这里a和b是实数，分别称作该复数的实部和虚部。将这样的两个数相加和相乘必须遵循通常的代数法则以及i2=…1的规则：
（a＋ib）＋（c＋id）=（a＋c）＋i（b＋d）
（a＋ib）×（c＋id）=（ac…bd）＋i（ad＋bc）。
现在出现了新的鲜明的情况！我们对这个系统的动机是使对任何数都能取平方根。这个目的是达到了，虽然还不这么明显。但是，它做得比这还多得多：取立方根、五次方根、九十九次方根�
