物理學的佯謬系列之芝諾悖論

物理 阿喀琉斯 烏龜 天文 大盧講物理 2017-05-05

在物理學的發展史中,吸引人又讓人驚訝和燒腦的恐怕就是各種各種的物理佯謬了。佯謬,英文Paradox,也稱悖論。是一種讓人感到有很道理但又撲朔迷離的,促使每個時代的物理學家們用智慧和毅力去解開它們。

物理學史上出現最早的佯謬,應當首推芝諾悖論。是古希臘數學家芝諾(Zeno of Elea,約公元前490~前430),他提出了一系列關於運動的不可分性的哲學悖論,主要有四個:二分法;阿基里斯;飛矢不動;運動場。這裡只講第二個阿基里斯悖論,也稱“神行太保為什麼追不上烏龜”。

物理學的佯謬系列之芝諾悖論

神行太保追不上烏龜

芝諾是這樣描述的“阿基里斯永遠也追不上烏龜。他首先必須到達烏龜出發的地點,這時候烏龜會向前走了一段路。於是阿基里斯又必須趕上這段路,而烏龜又向前走了一段路,他總是越走越近,但是卻始終追不上它”。

用具體數字來說明這個情況,假定阿基里斯讓烏龜先跑100m,他的速度(是烏龜的10倍。比賽開始,當阿基里斯跑到烏龜的出發點(100m)的地方時,烏龜已經向前跑了10m。當阿基里斯在跑完10m到達烏龜的地方時,烏龜又向前跑了1m,······,這樣,阿基里斯發現烏龜始終在前頭,雖然兩者的差距在減小100m,10m,1m,0.1m,0.01m······,但是永遠不會為0,也就是說永遠也追不上烏龜。

現在來看,這個關於時間、空間的間斷性和連續性的悖論已經解決了,到20世紀中葉宇宙學有了巨大進展時,尤其是大爆炸、黑洞中的奇點等理論出現以後,物理學家開始從物理學的觀點對芝諾悖論重新審視。比如我國物理學家方勵之教授提出了“如何解開這一個佯謬?關鍵是在芝諾悖論中使用了兩種不同的時間度量”。他認為芝諾實際上用了兩種計時器,一種是我們生活常用的“普通”計時器,測出的時間記為t。另外一種特殊的把重複過程作為測量時間的“計時器”,就是把阿基里斯每次到達烏龜前次所在地,作為一個重複過程,用這種過程測的時間稱為“芝諾時”,記為t’,比如阿基里斯在第n次到達烏龜第(n-1)次的起點時,芝諾時t'=n。假設烏龜先跑的距離為L,阿基里斯速度為v2,烏龜速度為v1,(v2>v1)。

對於普通計時器而言,阿基里斯只要在 t = L / (v2-v1) 時就趕上了烏龜,當t > L / (v2-v1) 時就已經超越了烏龜。但對於芝諾悖論,也就是對芝諾時來說,只有當t'→∞ 時,阿基里斯才能無限接近烏龜,在任何有限的芝諾時裡,將永遠趕不上烏龜。我們對普通時 t 和 芝諾時 t'的關係進一步定量分析如下圖,

物理學的佯謬系列之芝諾悖論

經過簡單的數學計算,得到 t 和 t' 之間的變換式為

物理學的佯謬系列之芝諾悖論

二者關係如下圖

物理學的佯謬系列之芝諾悖論

可以看到,這種變換存在著奇性,當 t' →∞ 時,只覆蓋了普通時 t 上的一個有限區間,區間為(0, L / (v2-v1) 。方教授認為:“芝諾悖論,是由於把永遠理解為 t' →∞ 。且認為 t' →∞之後就沒有時間了。”而實際上,從圖中可以看到 t' →∞後還存在時間的,只是在 t > L / (v2-v1) 範圍內,芝諾時已經無法度量了。

簡單的說,芝諾悖論是由於芝諾時的侷限性,不能度量阿基里斯追上烏龜之後的現象了。這個悖論的啟示是,一種時間打到無限之後,還可以有另一種時間來度量。更深入的思考,我們所謂的普通時是否也具有芝諾時的侷限性。當日常時鐘 t 達到無限之後,是否還有時間?是否還有 t 也無法度量的 t 之後的現象呢?現代物理學的研究得到的答案是肯定的,譬如黑洞理論表明,日常時鐘 t 不能來度量落入黑洞之後的過程,落入黑洞之後的現象涉及 t 無限之後的時間,需要用其他時間來度量。

本文只是作者讀到的一種解釋芝諾悖論的觀點,當然還有其他的角度來解釋,歡迎留言討論。

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