芝诺悖论

悖论一(二分法悖论):从A点到B点是不可能的。

看了这个命题,你会马上说,这怎么不可能?别着急,我们先来看看芝诺的逻辑。

芝诺讲,要想从A到B,先要经过它们的中点,我假设是C点,而要想到达C点,则要经过A和C的中点,假设是D点……这样的中点有无穷多个,找不到最后一个。因此从A点出发的第一步其实都迈不出去。

悖论二(阿喀琉斯悖论):阿喀琉斯追不上乌龟。

我们知道阿喀琉斯是古希腊神话中著名的飞毛腿,但是芝诺讲如果他和乌龟赛跑,只要乌龟跑出去一段路程,阿喀琉斯就永远追不上了。按照我们的常识,芝诺的讲法当然是错的。不过我们还是听听他的逻辑。

为了方便起见,我们简单地假设阿喀琉斯奔跑的速度是乌龟的10倍。如果乌龟先跑出10米。等阿喀琉斯追上了这10米,乌龟又跑出1米,等阿喀琉斯追上这1米,乌龟又跑出0.1米……总之阿喀琉斯和乌龟的距离在不断接近,却追不上。


悖论三(飞箭不动悖论):射出去的箭是静止的。

在芝诺的年代,运动最快的是射出去的箭。但是芝诺却说它是不动的,因为在任何一个时刻,它有固定的位置,既然有固定的位置,就是静止的。而时间则是由每一刻组成,如果每一刻飞箭都是静止的,那么总的说来,飞箭就是不动的。

这个悖论,可能就比前两个难辩驳了。

悖论四(基本空间和相对运动悖论):两匹马跑的总距离等于一匹马跑的距离。

如果有两匹马分别以相同的速度往两个方向远离我们而去,我们站在原地不动。在我们看来,单位时间里它们各自移动了一个单位Δ(Δ通常表示增量),显然一匹马跑出去的总距离就是很多Δ相加。但是如果两匹马上有人,那么在彼此看来,对方在单位时间却移动了两个Δ长度,彼此的距离应该是很多两倍的Δ相加。

那么,如果Δ非常非常小,小到无限接近于零,芝诺就干脆认为Δ=0,0乘以任何数还是0,那么1Δ=2Δ。但是左右两匹马跑出去的总距离怎么可能等于一匹马跑的距离呢?

解析

今天我们就用无穷小的概念回答芝诺的第1、2和第4个悖论,由于第一个和第二个悖论其实是一回事,我们只讨论第二个,也就是阿喀琉斯和乌龟赛跑的例子。

我们知道,在阿喀琉斯悖论中,芝诺其实把阿喀琉斯追赶的时间分成了无限份,每一份逐渐变小却又不等于零。比如我们假设阿喀琉斯一秒钟跑10米,那么芝诺所分的每一份时间就是1秒、0.1秒、0.01秒,等等。如果我们把它们加起来,就是之前讲的等比级数。

S=1+0.1+0.01+0.001+……

接下来的问题是,这样无限份的时间加起来是多少?假如每一份时间都存在一个最小的、具体的长度,那么这样子的无限份加起来显然就是无限大,这是矛盾所在。但是,如果我们能够定义一个被称为“无穷小”的量,它满足这样两个条件,芝诺的悖论就能够解决了。

1 它不是零;

2 它的绝对值小于任何一个你能够给定的数。比如你说10^-100(10的负100次方就是10的100次方分之一)非常小,那么我这个无穷小比你说的还小,如果你说再来一个更小的数10^-10000,那么我这个无穷小依然比你的数字小。

无穷多个无穷小量加在一起可以有三种情况,分别是一个有限的数,无穷大,或者是无穷小,我们在后面介绍无穷大和无穷小的比较时会详细讲。

在这个具体情况中,无限个无穷小量加起来是一个有限的数,这一点我们在后面讲到极限的概念时会说明,S这个级数的极限是10/9。

因此引入了无穷小的概念,就解决了阿喀琉斯悖论。可以讲,正是阿喀琉斯悖论帮助我们补上了数学上的一个缺失。

其实芝诺的错误就是把无穷小直接当做了0。


至于第三个悖论,芝诺其实混淆了两个概念,即瞬间位移量和瞬间速度的差别。芝诺注意到了当间隔时间Δt趋近于零的时候,箭头飞行的距离ΔS也趋近于零。但是,它们的比值,也就是速度,并不是零。

至于第四个相对运动悖论,其实说起来就更简单了。芝诺所说的Δ,其实就是无穷小,虽然它趋近于零,但是不等于零,因此Δ≠2Δ。


总结

当逻辑和我们的经验有了矛盾时,有两个结果,一个结果是我们的经验错了。比如说,到底是地球围绕太阳转,还是太阳围绕地球转?在这件事上,我们的经验就错了。当然还有一个可能性就是,我们看似正确的逻辑,本身可能有问题,因为有概念的缺失,芝诺的悖论就属于第二种。

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