台灣不就長這麼大,周長卻無限大?看《重甲機神》解密台灣海岸線有多長|重甲科不科?02

  • 文/施奇廷│東海大學應用物理系暨研究所 教授兼系主任

y編按:一日科宅,終生科宅。而身為終極科宅,只有科學家這個身份還不夠!當然要製作一部滿滿熱血的動畫啊!

而這麼科宅的計畫,泛科學怎能缺席!不只電影要看,更要讓我們一起來好好吐槽聊聊《重甲機神》裡的那些科學與不科學!XD

重甲科不科系列:

《重甲機神 Baryon》既然是台灣製造、以台灣為背景的作品,當然要有「台灣元素」!

雖然片中的瘋狂科學家司空弦博士整天穿著藍白拖跑來跑去,當然可以算是一種「台灣元素」,不過我們想表現的,是更深層的東西:

圖/作者提供

《重甲機神 Baryon》中最主要的台灣要素,是「海」。

臺灣海岸線到底有多長,內政部、水利署喬不攏?

台灣是個海島國家,周圍海域蘊含了豐富的漁業、礦產等海洋資源,海岸線更提供了天然的國防屏障。然而過去幾十年,由於台灣特殊的政治環境,「阿兵哥守海防」的形象深植人心,台灣人對海、以及海岸線總是有種隔閡感。

你對海岸線的瞭解有多少呢?既然海岸線是條「線」,最基本的特性當然就是「長度」了。根據內政部營建署的資料,台灣本島的海岸線長度為 1,340,565 公尺,也就是 1340 公里多一點(如果把離島算進去,變成 1988 公里)。

海岸線對一個國家的重要性,可以用「海岸線與國土面積之比值」做一個簡單的估算。台灣本島的面積為 35873 平方公里,所以海岸線長度與國土面積之比值為為 0.0374(單位為公里分之一)。與之對照,世界強權美國,根據 CIA 的「The World Factbook」資料,海岸線長度為 19924 公里,國土面積為 9,161,923 平方公里,該比值為 0.00217,僅為台灣的 17 分之一,可見海岸線在台灣國土中所佔的地位是很高的。

美國「海岸線與國土面積之比值」僅為台灣的17 分之一,可見海岸線在台灣國土中所佔的地位是很高的。圖為《重甲機神 Baryon》中的台灣海岸線場景。圖/作者提供。

再仔細一看,CIA 資料中,台灣海岸線的長度是 1566 公里,咦?怎麼跟內政部的不一樣?多查點資料好了,結果水利署說是 1200 公里,加上外島是 1520 公里⋯⋯麻煩你們政府部門自己先統一一下好不好?

其實這種海岸線長度不統一的狀況,並不是因為政府無能,而是有深層的數學問題,也就是:海岸線的長度,理論上是量不出來的!

臺灣不就長這麼大,周長卻無限大?

這個問題是這樣開始的,一直到二次世界大戰為止,歐洲說是全世界的火藥庫也不為過。為了研究歐洲人為什麼這麼喜歡戰來戰去,一位英國物理學家兼數學家兼氣象學家兼心理學家 Lewis Fry Richardson 提出一個假說:國界的長度與國家之間發生衝突的機率是有關的。

Lewis Fry Richardson 本人。圖/wikipedia

為了驗證這個假說,理組的 Richardson 開始收集相鄰國家之間邊境的長度以及發生軍事衝突的歷史紀錄。結果就跟我們剛剛談台灣的海岸線長度一樣,鄰國之間的邊境每個人量的都不一樣!

1967 年,碎形幾何的奠基者 Benoît B. Mandelbrot 發表了一篇論文「英國的海岸線有多長?」(How Long is the Coast of Britain?) 探討了這個問題。如果我們用一根很長的尺,比如說左圖,「尺」有兩百英里長,由於尺太長,就只能截長補短,想辦法盡量沿著海岸線把英國本島給圍起來,以這個例子來說,一共用了 12 根「尺」,得到英國的海岸線近似長度為 2400 英里。

量測英國海岸線有多長,分別用 12 根尺、長度 100 英里的尺和長度 50 英里的尺。圖/wikimedia commons

這當然是個誤差很大的結果,因為尺實在太長了!造成解析度很低。改善的方式就是把測量基準的尺變短,如中、右圖,越短的尺,圍出來的形狀越接近真實的形狀。中圖用長度 100 英里的尺,得到的海岸線是 2800 英里,長了一些,但是應該更準了一點,右圖用 50 英里的尺,得到的海岸線更長了,是 3400 英里。

看起來尺越短,量出來的海岸線就越長,而且看起來不像有收斂的樣子欸(收斂:尺越用越短,量得的數字會趨近一個定值不再改變)。對了,根據英國官方資料,大不列顛島的海岸線長度是 11072.76 英里,比前幾個數字又大了幾倍,然後 CIA 的資料是 12429 公里或是 7725 英里,你搞得我好亂啊!

Mandelbrot 的結論是:是的,尺越用越小,量到的海岸線越來越長,而且會趨近於無窮大!等等,你在開玩笑吧,一個真實存在的英國大不列顛島,怎麼可能會有「周長無窮大」這種事?

原因就在「碎形」。下圖為碎形的一個例子,稱為「Koch Curve」,由一個邊長為一正三角形出發,每邊分成三等分,然後從中間那段「長」出一個正三角形,然後依此類推,可以無窮無盡的長下去。

Koch Curve:由正三角形出發,每邊分成三等分。從中間那段「長」出一個正三角形。依此類推,可以無窮無盡的長下去。圖/wikimedia commons

對於這個 Koch 雪花,你如果拿長度為一的尺來量它,你只能排成一個三角形,得到的周長是 3,如果你用長度是 1/3 的尺來量,就會排成右上方的圖形,周長為 4,如果你用長度 1/9 的尺來量,就會排出左下角的圖,周長為 5.33⋯⋯

寫成公式是這樣:

\( P_n= 3 \times \left ( \frac{4}{3} \right )^n \times s \)

其中 \( P_n \) 是圖形的周長(海岸線長度),\( s \) 是一開始的三角形邊長,\( n \) 是「第 \( n \) 把尺」(長度是\( \frac{1}{3^n} \))或是「第 \( n \) 階圖形」。

一開始的正三角形為 \( n=0 \) 之圖形,右上圖為 \( n=1 \) 。由這個公式可以看起來,當 \( n \) 趨近於無窮大,也就是用一把無窮短的尺來量海岸線的話,照理說應該量得絕對準確,可是卻會得到海岸線長度無窮大這個奇特的結果,因為海岸線的形狀具有碎形的特性!

當然,真實的海岸線是畢竟還由原子構成的,所以碎形的特性不可能一直持續到無窮小,不過當你用跟原子一樣大的尺去量台灣海岸線的長度的話,會量出一個令人驚訝的超級大的數字喔!

真實的海岸線是畢竟還由原子構成的,所以碎形的特性不可能一直持續到無窮小,不過當你用跟原子一樣大的尺去量,會得到超級大的數字喔!圖/作者提供

講了這麼多,台灣的海岸線到底有多長呢?

答案是「不知道,看你用來量的尺有多長!」

《重甲機神 Baryon》中,也出現了不少台灣海岸線的美景,不過,劇情中有用到台灣海岸線長度這個梗嗎?其實沒有,這純粹是參與編劇的物理老師們數理魂發作啦!也希望大家能更瞭解台灣以及台灣周邊的海洋喔!


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