一张纸可折叠多少次?

时间:2023-11-25 03:19:04

据说,任意大小的一张纸只能对折8次,再多就会遇到强大的阻力,而且也没有继续折叠的余地了。这是真的吗?万一纸很大又很薄呢?万一折纸的人是个巧匠呢?事实是,无论你如何取巧,折叠的次数终有极限,只不过未必一定会固定在8次。

许多人尝试解决折纸问题,一名杰出的高中生布莱特妮·加利文(Britney Gallivan)格外引人注目。2002年,为了在数学课上获得额外的学分,她开始了折纸研究。她先构思出一个方程,说明折叠8次以上至少在理论上是可行的。然后她进行了展示,不过折的不是纸,而是一张10厘米见方的金箔。金箔只有0.3微米厚,只是普通纸厚度的1/300。

布莱特妮的活儿可不好干:金箔太薄容易撕破,她得万端小心,用刷子和镊子折叠,以免弄破。她成功了,惊人地将金箔折叠了12次!她上交了成果,老师却没给她加分,因为指定的材料是纸,不是金箔。在老师看来,她是跑题了。显然,老师是想激励孩子深入研究,多数孩子也许会放弃,但布莱特妮不会。

一张纸可折叠多少次?

这回她用上了纸,展开了一大卷卫生纸,总长有1.2公里,她将纸对折了12次。老师依旧挑剔,抱怨完成的作品圆咕隆咚,没有成品的样子。

然而她的老师忽略了一点:布莱特妮的数学分析实际上已经指出,多次折叠之后纸的样子不可避免地会越来越圆,那恰代表着极限已至。你可以自己试试看,叠到某处时,纸所剩下的宽度已经不足以覆盖折起纸堆的高度了。

试试看:找张普通的A4复印纸,你可以试着折折看。先沿着长边对折,再沿着宽边对折。尽量将纸折得紧密而整齐,折痕最好像刀锋一样。如此这般叠上4次,阻力便明显变大了。再有,随着折叠次数的增加,几何精度也丧失了,厚度在增加,保持折痕的清晰越发困难,折叠逐渐变成了弯曲。那么你最终能有效折叠几回呢?可能五六次吧?五六次之后,再想徒手折叠已经不可能了,阻力太大了。现在,找张更大的A3纸试试,用同样的方法叠,既然纸更大了,应该能折叠更多次才对。事实是:五六次后,你就再也折不动了。理论上讲虽然你能将一张纸折八次,实际上,要少一些。

不仅老师低估了布莱特妮的成就,3年后,格雷厄姆·里斯(Graham Rees)教授在《哲学杂志快报》(Philosophical Magazine Letters)上发表论文时,也完全忽视了她的工作,宣称通常折叠的次数是6次,极限的数字是8次。在里斯得知布莱特妮的实验后,他承认自己没注意到这个女孩,自己的论文更像是拾人牙慧。(这个例子的教训是:如果你搞研究,上网查新资料时,千万别只盯着学术期刊。)

那么布莱特妮的发现是最终的答案吗?用最薄的纸可以折叠12次,最终由于太圆太小而无法折叠?或许现实中的确如此,但这并不妨碍我们继续展开想象。

如果采用比布莱特妮的金箔还薄的纸呢?纸的主要成分是纤维素,但有一种新材料叫纳米纤维素,它比通常的纤维素分子小得多并有极特殊的性质。它有凯夫拉(Kevlar)般的韧度却无比的轻。更重要的是,作为纳米材料,纳米纤维素可以进行原子水平的操作,那意味着没有比它更薄的东西了。

我向加拿大国家纳米技术研究所的科学家提出自己的疑问:一份纳米材料可以折叠多少次?该所的研究生罗申·阿卡尔(Roshan Achal)颇感兴趣,决心解决这个问题。他考虑选择石墨烯,那是种蜂窝状排列的单层碳原子材料,仅有一个原子厚。石墨烯虽说不是纳米纤维素,但科学家们更熟悉它。

一张纸可折叠多少次?

再有,石墨烯可以制成0.3纳米厚的薄片,这比金箔薄了上千倍,只是标准纸张厚度的百万分之一。(需要指出,搞一张如此大的石墨烯片是极端挑战,而且在纳米水平上进行操作,电子及化学效应将直接影响实验效果,这是使用纸张所无从想象的。)

罗申先将石墨烯的厚度代入计算方程,发现在理论上可以折叠19次。注意,布莱特妮的12次纪录是用一卷长达1200米的卫生纸创造的,如果能用上同样尺寸的石墨烯,折叠的次数将远远超过19次,估计可达27次。不过,谁又会真的那么干呢?

一张纸可折叠多少次?

罗申的叠法与布莱特妮的有所不同,他先是将石墨烯对折,转90度,再对折,如此重复;而布莱特妮的卫生纸每次折叠都是同样的方向。如果将布莱特妮的方法用于石墨烯,结果会稍有不同:用复印纸大小的石墨烯片可折叠12次;要是用与布莱特妮相同的尺寸,可以折21次,与罗申先前算出的极限接近。

最后还有一点:根据罗申的观察,如果把一张单原子厚度的薄片折叠19次,由于累积的高度呈指数型增长,折叠物将最终变得肉眼可见了。这是多么惊人,石墨烯原子经过若干次折叠竟能被我们亲眼看见!不过,如果用纸做相似的尝试,得到的下列数据将更加不可思议:

?普通纸折叠10次,其厚度将及人手掌的宽度。

?折叠23次将有1000米厚;要是再折7次,将高抵外太空,达100公里高。

?折叠51次后则直达太阳。

?折叠103次(虽不能至,心向往之)就够到了可知宇宙的边界了,没准儿,一不小心还过了界呢。

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