人竟然永远无法追上一只乌龟?看现代物理学如何破解“芝诺悖论”

曾经有个古希腊的科学家提出了这样一个问题:一个人和一个乌龟赛跑,人的速度是乌龟的10倍,但是由于乌龟跑得慢,所以让乌龟在他前面100米处,然后人和乌龟同时开跑。

这时就会出现这样的情景:当人向前跑了100米时,人到达了乌龟原来所在的位置。然而乌龟已经爬出去了10米,乌龟还在人的前面;当人又继续向前跑了10米时,又到达了乌龟所在的位置,而这时乌龟又向前爬了1米,乌龟还是在人的前面!而这样的过程可以无止境地进行下去,这样一来,这个人就永远也无法追上这只乌龟了!这就是著名的“之诺悖论”。

可这是怎么回事呢?我们知道,如果真的比赛的话,人一定是可以超过乌龟的,这不容置疑。然而我们上面的推理似乎也很有道理。那人到底是怎样超越乌龟的呢?

这个过程其实是一个将距离无限分割的过程,每次人和乌龟的距离都变为了上次的十分之一,却永远不会为零。中国古书《庄子》中也有“一尺之棰,日取其半,万事不竭”的说法,是一样的思想方法。

但是,我们必须在任何时候都应遵循一条基本定律,就是“无限”这个词在现实中不可能存在。既不会有无限大,如无限大的宇宙;也不会有无限小,如每次都可以切为两半的方块。“无限”这个词仅仅在数学理论中存在,而无法在现实中出现。这样想来,宇宙是由不可分的基本粒子组成,以及宇宙必然是量子化的,是一种必然的结果。

那么,回到本问题。我们来看看人到底是怎样追上乌龟的呢?

每次人追上乌龟原来的位置,人与乌龟的距离都变为了上一次的十分之一。而这个过程不是可以无限进行下去的。以量子论的观点来看待世界,世界的基本组成元素即空间也是量子化的,即不可再分的普朗克尺度。这个尺度是极小极小的,以至于空间看起来就如同平滑连续的一样,但这个最小单元却是真实存在的。

这样,人追逐乌龟的过程就变成了这样一幅景象:当人跑过了10的30次方个普朗克尺度时,乌龟就跑过了10的29次方个普朗克尺度;然后人又跑过了10的29方个普朗克尺度,乌龟跑过了10的28次方个普朗克尺度……如此反复20多次以后,最终,关键的一刻终于来了,人用极短的时间跑过了10个普朗克尺度,乌龟跑过了1个。然后呢?下一轮来了,乌龟没法跑十分之一个普朗克尺度了,这个数必须是整数!无限的分割到达了终点!它只能又跑了1个普朗克尺度,这是最短的移动距离了,然后人呢?人跑了10个普朗克尺度,超过了乌龟9个。

人在这一刻超越了乌龟!

然后,人和乌龟的距离就越拉越远了。

我们依靠量子论的观点解决了这个千古难题,一直追不上乌龟的人终于一脚踩在龟壳上,超越了它,好神奇!

说到这里,还是回到这个问题的核心。这个问题的存在是因为它认为空间是可以无限分割的;而我们拒绝了无限这种东西,设置了一个最小的距离单元,从而打破了封印的魔咒,解决了“之诺悖论”。在我们探索宇宙的过程中,拒绝无限的事物,应该是一种基本观点。而这将让我们可以更好地理解量子的存在:因为能量也必然不是无限可分的,这很正常,不要再像量子的发现者那样大惊小怪了。

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