謎一樣的芝諾龜:短跑運動員永遠追不上?文字遊戲真高明

2020-12-13 閒雲趣談科學

龜兔賽跑的故事想必大家小時候都聽說過,現在幼兒園的孩子也能給你說得頭頭是道。故事情節簡單,烏龜和兔子為了爭奪跑步冠軍決定比賽,其他的動物都覺得烏龜有點傻,它的速度怎麼可能比得上兔子。兔子心中也覺得烏龜是自不量力,心中難免有些輕敵。比賽開始時,兔子飛速奔跑,將烏龜甩在了身後。烏龜也不著急,慢吞吞地爬。

兔子快跑到終點的時候回頭一看,發現烏龜還是沒有追上來,於是它便決定睡一覺,起來再跑,相信等它睡醒之後烏龜依舊沒有追上來。結果卻讓它傻眼了,一覺醒來,烏龜已經到終點了,兔子成了笑柄。我們先不去看這個故事的過程,只看結果,結果就是烏龜贏了比賽,它跑得比兔子快。拋開童話故事的限制,有沒有一種烏龜跑得比短跑運動員還快?有的。

這隻跑得比短跑運動員還快的烏龜叫做芝諾龜,它不存在現實中,只在理論中,是只謎一樣的烏龜。它是古希臘數學家芝諾提出來的一個數學悖論,古希臘神話中有個叫做阿克琉斯的傢伙,他跑得特別快,擱現在他就是博爾特。芝諾就以他為例,提出了芝諾龜。假設阿克琉斯和烏龜比賽跑步,烏龜的起跑點在阿克琉斯前面100米,阿克琉斯的速度是烏龜的10倍。那阿克琉斯跑完100米的時候,烏龜才跑10米,他們之間的距離也從100米縮短到了10米。

阿克琉斯再跑10米,烏龜才跑了1米。阿克琉斯再跑1米,烏龜才跑了0.1米。而以這樣的速度跑下去,阿克琉斯看上去是永遠也追不上這烏龜了,兩者之間始終有間距存在。當芝諾提出來芝諾龜的時候,不知道有多少人傻眼了,這烏龜有這麼厲害嗎?柏拉圖覺得沒有,他表示這悖論就是在玩文字遊戲,還足夠高明。你讓阿克琉斯一直以最初的一秒跑10米的速度跑步,他怎麼可能追不上烏龜?

事實上柏拉圖說的沒有錯,芝諾悖論從邏輯思維上來說,有耍小聰明和玩文字遊戲的嫌疑。但是從數學角度來說,這悖論沒這麼簡單。當時也確實難住了很多數學家,數學家們想要證明它,需要用到一個已知的數學定理,不然沒辦法下手。芝諾恰恰就是鑽了這個空子,當時還沒有微積分出現,數學家們知道這討厭的烏龜有問題,但沒辦法證明它不對。

閒雲帶大家來看下芝諾悖論,從邏輯上來說,芝諾悖論並沒有什麼缺陷,關鍵就在於我們都知道阿克琉斯是可以追上烏龜的,為什麼按芝諾悖論的邏輯就追不上?這是因為理論本身和我們看待此事用的是不同的時間參照物,芝諾龜中的時間體系是分散的,芝諾故意用文字將時間劃分成一個個細小的時間區域。

每個細小的時間區域過完,阿克琉斯和烏龜都運動了一段距離,這就給我們造成了阿克琉斯永遠無法追上烏龜的錯覺。而且在芝諾的設定中,就沒考慮過兩者之間的距離達到0的情況,只會不斷縮小,卻無法變成0。

想要破解芝諾悖論的關鍵就是要看破它的時間體系,不能被芝諾高明的文字遊戲給繞糊塗了。劃分出來的零散時間段只在理論中,它們加起來其實就是1秒。微積分一問世,芝諾龜便不攻自破了,它是專門用來研究「無限趨近」的數學工具

不過也有人認為,芝諾悖論站不住腳跟,它都稱不上是悖論,因為這理論沒有考慮到空間,只側重於時間概念,還故意模糊了時間概念。也難怪柏拉圖看不上,到了近代,黑格爾卻認為芝諾悖論包含了辯證法的思想,稱芝諾是辯證法的創始人。

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