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。這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。