物理學之四大神獸(1)——芝諾的烏龜

2021-01-19 悟裡探花

    物理學史上有著名的四大神獸,分別是芝諾的烏龜,拉普拉斯獸、麥克斯韋妖、薛丁格的貓。這四大神獸分別對應著物理學中的極限(微積分)、經典力學、熱力學第2定律(熵增原理)和量子力學(疊加態和坍縮)。

    這四大神獸威力強悍,芝諾的烏龜縮地成寸至極限,拉普拉斯獸推演萬物知未來,麥克斯韋妖逆轉陰陽轉時空,薛丁格的貓亦生亦死創世界四大神獸不僅給聰明的科學家們帶來了困擾,也給人類指明了前進的道路。

    今天我們聊聊芝諾的烏龜。我們先看一看它的簡歷。

    姓名:芝諾的烏龜

    主人:芝諾

    性別:未知

    出生地:古希臘

    能力:縮地成寸

    

    公元前464年,天下第一運動會開幕,第一天的比賽內容是芝諾的烏龜與海神之子阿克琉斯賽跑。阿克琉斯體格健壯,芝諾之龜短小精悍。阿克琉斯看著烏龜背著結實笨重的龜殼,又想著自己的速度很快,是烏龜的10倍,於是就以烏龜的身體劣勢為理由,申請讓烏龜提前奔跑1000米。

    比賽開始,當阿克琉斯跑了1000米時,烏龜已經向前爬了100米;阿克琉斯繼續追,而當他追完烏龜之前爬的100米時,烏龜又已經向前爬了10米;阿克琉斯只能再追向前面的10米,可烏龜又已經向前爬了1米;就這樣,芝諾的烏龜總在阿克琉斯的前面,雖然這個距離在不斷減小,但是,只要烏龜不停地向前爬,阿克琉斯就永遠也追不上烏龜!

    這樣,芝諾的烏龜名聲大振!同樣,在東方文明中,也有芝諾的烏龜的變種。《莊子·天下篇》中提到:「一尺之棰,日取其半,萬世不竭」。

    在現實世界中,我們會感覺很不可思議,因為隨便一個3歲小孩都可以輕鬆地超越一隻烏龜。而且,隨便一個初中生都可以很快地求出阿克琉斯追上烏龜的時間。    

    可是在物理帝國,我們卻需要嚴密地邏輯推理和證明。所以,如何證明阿克琉斯是否能追上它就成了一個很棘手的問題。從畢達哥拉斯到歐拉,這些物理和數學界的大神們,都沒人能破解這一問題。因此,這樣的一隻小烏龜就成了物理世界的第一隻神獸。

     那怎麼解釋這一問題呢?

    第一,這裡面有個文字遊戲,就是「永遠」。根據上面的情景,我們知道,當阿克琉斯無限接近烏龜時,時間就會停滯。

    由上圖可知,追上的時間應該等於111.1111……秒,這個時間無限的趨於一個時間點,不可能超過111.2秒,而不是永遠

    所以,這個問題的解釋就是:不管時間再如何無限逼近t(追上的時間),只要沒到t,人就追不上烏龜。

    而我們卻錯誤地理解成了:即使有幾百幾千年無限的時間,人也追不上烏龜。

    而現代物理學已經證明了時間和空間是不可以無限分割的,所以,在最短的一段時間裡,阿克琉斯就會順利超過烏龜。


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  • 物理學上的四大「神獸」,除了薛丁格的貓,你還知道哪幾個?
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