一条花费几百年都测不准的“边境线”到底有多可怕？

大家好，我是科学羊，这里是数学篇第五季第35篇。

在西班牙与葡萄牙之间，有一条蜿蜒曲折的边境线，被称为“拉拉亚”（La Raya）。

这条边境线是世界上最古老的陆地边界之一，尽管它经历了数百年的争端、战火和协议，但它的走向几乎与1297年签订的《阿尔卡尼塞斯条约》中的划定完全一致。

从半岛西侧的米尼奥河开始，边境线一路向东，在特隆科索河处转弯，沿着古老的路径穿过乡间，越过苔藓斑驳的界标，直到最终与瓜迪亚纳河汇合，流向加的斯湾。

无论是1815年的《维也纳条约》还是今天，葡萄牙和西班牙都对这条边境没有任何异议。

然而，关于“拉拉亚”边境线的一个看似简单的问题，却在长久以来困扰着地理学家：它到底有多长？

尽管这条边境线有着几百年的历史，甚至在条约中有精确的划定，但不同来源对其长度的测量却存在着巨大的分歧。

从914千米到1292千米，各种数据之间的差异竟高达30%。如此悬殊的差距令人难以置信，也让人不禁质疑这些测量的精确性。

这个问题并非孤例。

事实上，世界上几乎所有的边境线和海岸线都存在类似的测量困境。

以加拿大的海岸线为例，美国中央情报局（CIA）在《世界概况》中给出的数据是202,080千米，而世界资源研究所（WRI）却测量为265,523千米，差异足足超过60,000千米。

这不仅仅是统计上的误差，而是一个科学谜题：

为何在今天这个科技如此发达的时代，人们依然无法对边境线和海岸线的长度达成共识？

 刘易斯·弗莱·理查森 – 英国数学家，物理学家，气象学家，心理学家

让我们将目光投向19世纪末的英国。在北部的纽卡斯尔，一位名叫刘易斯·弗赖伊·理查森（Lewis Fry Richardson）的科学家出生了。

理查森是一位多才多艺的学者，专注于物理学、数学和心理学的研究。

他不仅是雷达技术和天气预报的先驱之一，还因为坚定的和平主义立场，在第一次世界大战期间选择了良心拒服兵役，转而加入法国的一支救护车队。

战后，他拒绝为军事用途继续工作，并因此放弃了不少重要的科研项目。

然而，理查森并没有停止对战争的研究。

相反，他开始致力于探讨战争的数学机制，试图理解战争的起因和扩展规律。在这一过程中，他注意到一个有趣的现象：国家之间的边境线越长，发生战争的可能性就越大。

为了验证这一点，理查森开始收集各国边境线的数据，结果却发现一个令人困惑的事实——不同国家对同一条边境线的测量结果往往大相径庭。

比如，西班牙认为与葡萄牙的边境线长987千米，而葡萄牙则认为这条线长达1214千米。

这个差异引发了理查森的极大兴趣，他深入研究后得出了一个令人震惊的结论：边境线实际上是没有固定长度的。

1951年，他发表了一篇文章，提出边境线的长度无法通过传统的方法进行精确定义。这一发现似乎颠覆了人们对边境线、甚至是自然界中所有不规则线条的认知。

这一理论在1967年得到了进一步的扩展和完善。

当时，数学家本华·曼德博（Benoît Mandelbrot）在一篇名为《英国的海岸线有多长？》的文章中，详细阐述了理查森的发现。

他指出，边境线和海岸线的形状极为不规则，以至于无法简单地确定其长度。这些线条并不是一条笔直的线，而是由无数个弯曲、蜿蜒、断裂的小段构成的。

当我们试图精确测量这些不规则线条的长度时，细节越小，线条的累计长度就越长。

曼德博进一步解释说，如果我们不对测量进行适当的简化，甚至是将每一粒沙子的轮廓都纳入计算，那么这些线条的长度将是无限的。

这就是所谓的“理查森效应”或“海岸线悖论”。在这种情况下，我们越是精确地测量，结果反而会越不确定。

曼德博集合

为了更好地理解这一现象，曼德博提出了一种新的几何形状——“分形”（fractal）。

分形的独特之处在于，它们具有自相似性，即无论放大多少倍，分形的形状始终保持不变。

这种数学结构在自然界中随处可见，如树木的分枝、山脉的轮廓，甚至是人体的血管网络。

通过研究分形，我们不仅能够更好地理解自然界的复杂性，还能揭示出隐藏在这些形状背后的数学规律。

回到“拉拉亚”边境线的问题上，这一发现让我们明白了，为什么即使是科技发达的21世纪，边境线的长度仍然难以确定。

原来，边境线的长度并非一个固定的数值，而是随着测量的精度而变化的一个动态概念。它的长度取决于我们如何定义和测量它的细节，甚至取决于我们选择的测量尺度。

理查森和曼德博的研究不仅为我们揭示了边境线和海岸线的复杂性，还为现代科学提供了一种新的思维方式：在面对自然界的复杂现象时，我们需要跳出传统的测量框架，去寻找更合适的工具和方法。

血管其实是这样的

分形几何学正是这样一种工具，它帮助我们理解那些看似无序、无法测量的形状，并将其纳入到科学的范畴之中。

总结：

无论是古老的“拉拉亚”边境线，还是全球的海岸线，它们的长度都不再是一个单纯的数字，而是一种充满了无限可能的概念。

这也许正是大自然对我们的启示：在追求精确和真理的道路上，我们总是需要不断地拓展我们的思维边界，去探索那些看似无法解释的谜题。

好，今天就先这样啦～

科学羊🐏  2024/08/22

祝幸福~ 

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参考文献：

[1]. 《雨伞下的数学》

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