章天亮:破解阿喀琉斯追烏龜悖論

2013年09月22日 15:05     評論»

芝諾悖論是古希臘數學家芝諾(Zeno)提出的一系列哲學悖論,因為被記錄在亞里斯多德的《物理學》一書而廣為人知,其中最著名的是「阿喀琉斯追烏龜」悖論。

假設烏龜在阿喀琉斯前面100m,每秒鐘速度為1m/s,阿喀琉斯的速度為10m/s,則阿喀琉斯永遠也追不上烏龜。芝諾的理由是這樣的,當阿喀琉斯前進了100米的時候,烏龜又向前爬了10米;當阿喀琉斯向前進了10米的時候,烏龜又向前爬了1米。換句話說,每當阿喀琉斯到達烏龜剛才的位置時,烏龜總是又向前移動了一段距離。結論則是阿喀琉斯永遠也追不上烏龜。

這個推理過程看似有理,但與我們的日常生活經驗卻完全相悖,因為速度快的終究要追上速度慢的。那麼芝諾悖論的問題出在哪裡?

一、時空不連續性猜想 

這個問題,我們也可以換一種方法來思考。我們首先必須明確兩個狀態——「追上」和「沒追上」。從生活經驗出發,阿喀琉斯跟烏龜的關係必然經歷兩個狀態「沒追上」和「追上」,而我們必須強調的是,沒有介於「沒追上」和「追上」之間的狀態。我們不禁要想,從「沒追上」到「追上」,顯然是個狀態突變的過程,假設第一個「追上」狀態發生的時刻為t,最後一個「沒追上」狀態發生的時刻為t』,在(t-t』)這段時間里,烏龜為什麼沒有往前移動?

在思考這個問題的時候,我意識到時空是不連續的。也就是時間並非無限可分,根本就沒有(t-t』)這麼小的時間片。

如果用數字化的方式來描述追逐問題,也許我們就豁然開朗。我們把空間分成一個個的小格子,時間也分成一個個最小的單位,這裏不妨用秒來描述。阿喀琉斯每秒可以移動10個格子,而烏龜每秒移動1個格子。沒有比格子更小的空間距離,也沒有比秒更小的時間片斷。假設烏龜在時刻t0時位於阿喀琉斯前面100格,那麼(t0+10)秒后,阿喀琉斯與烏龜的位置只相差10格。而在(t0+11)秒時,阿喀琉斯與烏龜的距離還差一格,而(t0+12)秒后,阿喀琉斯則在烏龜前面8格。這裏沒有「追上」的狀態,只有「沒追上」(發生於(t0+11)秒)和「超過」(發生於(t0+12)秒),因為我們這裏假設沒有比1秒更小的時間單位。

這個假設還說明一個問題,就是對阿喀琉斯來說,每秒移動10格,絕不等於每十分之一秒移動一格,因為這裏假定沒有比一秒更小的時間片。

這種推導還可以得出另一個結論,空間也不是連續的。從「沒追上」(二者有空間距離)到「追上」(二者無空間距離),也是一個跳變的過程。這個跳變,就是空間的最小單位。假設烏龜的移動速度是v,在(t-t』)這段時間里,烏龜之所以沒有往前移動,使因為沒有v*(t-t』)這麼小的空間距離。

二、不連續的世界 

時空的不連續會得出一系列的相應結論。因為速度等於距離除以時間,如果距離是不連續的,時間也是不連續的,那麼速度也是不連續的。

因為空間不連續,所以物體只能處於有限的位置(雖然這個有限可能是一個巨大的數);因為空間不連續,所以物體只能存在於有限的時刻(雖然有限的數目同樣巨大),因此物體的時空狀態也是有限的,或者說可數的(Countable)。因此物體的運動,本質上是時間狀態和空間狀態的改變。 因此我們需要重新定義速度,它不再是物體運動的快慢,而是物體時空狀態改變的快慢。

物體在改變時空狀態時需要消耗能量,這或許可成為重新看待質量和摩擦力本質的一個角度。
我在大學學離散數學的時候,曾經碰到一個問題,總感覺結論有什麼地方不對。大概是說,位於[0, 1]區間的實數,與位於[0, 2]區間的實數一樣多。當然,從現代數學的角度看[0, 1]之間有無窮多的實數,[0, 2]之間也有無窮多的實數,本不可比較。離散數學的解釋是在[0, 2]間任意尋找一個數R,都可以在[0, 1]之間找到一個數R/2。換句話說,[0,2]間的任何數,都可以一一映射到[0,1]區間。由於這種映射是「一一映射」,因此位於[0, 1]區間的實數,與位於[0, 2]區間的實數一樣多.

這個結論有悖於我們的常識,因為 [0,1]是[0,2]的子集,子集元素的數量等於全集元素的數量,這實在是令人費解的。

如果從時空不連續猜想出發,我們就會得出結論,這裏的「一一映射」並不存在,因為當小數點后的數字多到一定程度后,在[0,1]區間已經找不到相應的空間位置。

深思一步,並不存在什麼無理數,因為無限不循環小數到了小數點后的一定位數后,已經沒有了對應的時間或者空間點。

這樣的推理還可以一直進行下去。因為速度不連續,時間不連續,那麼加速度(速度的變化)也不連續。根據牛頓第二定律,力也是不連續的。根據W=F*S(做功等於力乘以位移),功也是不連續的。其它如動能、動量、勢能等都不連續。

三、宏觀世界、微觀世界與量子力學 

時空的不連續性在宏觀世界並不突出,因為時空的最小單位如此之小,我們可以近似的認為時空是連續的。但是到了微觀世界,這種不連續性就非常突出。

比如,電子圍繞原子核運轉時只能佔據固定的軌道,沒有軌道之間的狀態。一個電子或者在這個軌道上,或者在那個軌道上,當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時,沒有中間狀態,也不需要時間。這是量子力學的基本概念。這種電子的軌道躍遷會輻射或者吸收固定的能量,因為這種能量是固定的,因此反應出來的一種形式就是固定頻率的光,這也是人類發現和現在能廣泛利用激光的物理原因。

四、時空真的不連續嗎? 

時空不連續的概念,本質上是說,時空存在一定的微觀邊界。

我們用破解芝諾悖論的數字化方法繼續討論這個問題。如果阿喀琉斯每秒可以移動10個格子,而烏龜每秒移動1個格子,那麼阿喀琉斯只能位於零號格子、十號格子、二十號格子等,他沒有一號格子、二號格子的概念,也不能存在於一號、二號這樣的格子中。而烏龜則可以位於一號格子、二號格子、三號格子等,既烏龜可以存在於阿喀琉斯不能存在的位置。

我們甚至可以說,阿喀琉斯在(t0+12)的時候,看不到烏龜,因為對他來說,烏龜所在的格子是不存在的。

數字化的方法只是一個比方,但卻引發了另一個問題。時空的微觀邊界,對於人類不可突破,而對於更高級的生命呢?我們看不到神的存在,是因為我們的微觀尺度,比神的要大的多。神能夠掌握比我們更微觀的時空,因此存在於我們看不到的地方。

穿牆而過,對人來說,似乎是一個了不得的神通。其實只要突破了人的時空邊界,那就象我們從門裡走出去一樣容易。對於時空能掌握到越微觀的生命,神通也就越大。

還有一個問題,如果我們人的身體或者這個我們看到的世界中的物體,都是由某種基本粒子組成,而這些粒子只能位於不連續的時空中,為什麼這些粒子沒有散掉?是什麼使他們能互相連帶,成為一個整體?

我在李洪志師父的講法中似乎能體悟到答案。

以上內容僅為個人的猜想和在法輪大法修鍊中的體會。不當之處,敬請指正。

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