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芝諾的悖論(Zeno's Paradox)
2010/04/10 17:49:16瀏覽1054|回應0|推薦0


悖論,是指一種導致矛盾的命題。悖論的英文paradox一詞,來自希臘語「para+dokein」,意思是「多想一想」。 如果承認它是真的,經過一系列正確的推理,卻又得出它是假的;如果承認它是假的,經過一系列正確的推理,卻又得出它是真的 古今中外有不少著名的悖論,它們震撼了邏輯和數學的基礎,激發了人們求知和精密的思考,吸引了古往今來許多思想家和愛好者的注意力。解決悖論難題需要創造性的思考,悖論的解決又往往可以給人帶來全新的觀念。





大約在西元前490年,提出古希臘時期著名悖論的哲學家芝諾意大利南部誕生啦。雖然芝諾他的哲學作品並沒有流傳到後世,但是他為了悍衛老師巴門尼德哲學理論而曾寫過一本書,因此我們可在其他書籍中(亞里斯多德物理學)找到關於這本書的描述,據說這本書中提到過40多個悖論,現在我們也只能藉此來理解芝諾的主要哲學思想。事實上,數千年他所提出的四大悖論一直困擾著無數的數學家、科學家和哲學家們。




芝諾的老師巴門尼德信奉一元論(世界由一個永恆、不變的Being所組成)。為了捍衛老師這個激進的信仰,芝諾創作出了40多個悖論來解釋為什麼日常生活中變化(運動)並不像我們所認為的這樣理所當然。 




芝諾最著名的悖論是一個有關飛毛腿阿基裡斯永遠追不上烏龜的故事  假設烏龜和阿基裡斯比賽跑步,先讓烏龜提前跑了一段。那麼,為了要追上烏龜,阿基裡斯必需先到達烏龜起跑時的的那一點;但是當阿基裡斯到達烏龜的起跑點時,烏龜必然已經往前爬了一小段距離。當阿基裡斯又跑完這一小段距離時,烏龜又會往前再跑了一段更短的距離;…….這過程可以持續直至無窮。所以阿基裡斯永遠追不上烏龜!(感覺怪怪的吧!對吧?哈哈…) 


 



為了能更深入這悖論的核心,讓我們引入一些數字來重新檢視這個悖論:假設比賽開始前先讓烏龜先跑到10公尺的位置、阿基裡斯跑步的速度是每秒10公尺、烏龜爬行的速度是每秒1公尺。



現在,阿基裡斯花費1秒鐘跑完10公尺時,烏龜已經向前爬了1公尺;

阿基裡斯又花費0.1秒跑完這1公尺時,烏龜又向前爬了0.1公尺。

阿基裡斯又花費0.01秒跑完這0.1公尺時,烏龜肯定又向前爬了0.01公尺。

…………

因此,不管阿基裡斯再怎麼努力,烏龜總是能以這種方式在前面領先。





令人困惑的是,如果以「距離=速率×時間」這個公式計算,阿基裡斯1.11秒後將會到達11.1公尺(10×1.11)的位置,而此時烏龜距離出發點的位置也是11.1公尺(10+1×1.11)。也就是說,現實生活中,阿基裡斯將會在1.11秒後追上烏龜。





為什麼不同的論證法卻引導出兩種截然不同的結論呢?大部分的人碰到這矛盾,總會依據日常生活的經驗而不由自主的認定芝諾的說法有問題。按照芝諾的說法來計算看看,我們把阿基裡斯追上烏龜前的距離加總起來,看看能不能找到一些關鍵的線索:



阿基裡斯第一次跑10公尺、然後1公尺、接著0.1公尺………,這些距離可以組成如下的一個幾何級數





 10 + 1 + 1/10 +1/100+ .... + 1/10 (n) + ...




顯然的,上面的式子是一個公比為1/10等比級數依照現今極限的理論,這級數收斂於11.11公尺。嗯,現在我們似乎可以把問題看的更清楚一些了:如果阿基裡斯和烏龜的速度持續不變,阿基裡斯的確是可以追上烏龜的。


 





然而,這個悖論是如讓我們產生混淆的呢?其實,芝諾的觀點是挑戰我們傳統上對空間和時間的假設。傳統上,我們總認為時間和空間是獨立而連續的存在;也因為基於這樣的假設,我們潛意識上總認為可以無限地分割空間和時間。在這個悖論中,只要不自覺的認同時間和空間可以無限分割的假設,那芝諾的說明就變的十分具有說服力了。

 



以時間來說,因為芝諾的說明是將時間切割成越來越小的片段,這似乎暗示:在無法追上烏龜的狀況下,時間的推移速度必然會產生減慢的狀況出現(這是在現實世界不可能發生的),也因此阿基裡斯永遠無法到達1.11秒這個時間點。






仿照芝諾的說明,我們現在來玩一個被稱為「湯姆遜之燈」的遊戲:



假設現在我的旁邊有一盞燈,按一次開關時,燈會打開;再一次按下開關時,燈會被關起來。 



如果遊戲開始時燈是關閉的,1分鐘後我關掉它;

1/2
分鐘後,我將燈打開;

1/4
分鐘後,我又將燈關掉;

1/8
分鐘後,我將燈打開…….,依照芝諾的悖論,假定你認定時間可以被無限分割,那我可以假設自己的速度將可以非常快,快到總是能把切換電燈開關的時間減少一半。現在,讓我寫下切換開關所花費的時間:T=1+1/2+1/4+1/8+………. 





無窮等比級數(r=1/2)的理論告訴我們:2=1+1/2+1/4+1/8+……….




因此,2分鐘後,這一系列開關燈的工作應該被完成了! 現在的問題是:請問在2分鐘這個時間點,燈是關閉的?還是打開的呢?又如果一開始時燈是打開的,最後的結果會不會改變呢?

 



如果採用了芝諾「時間是可以被無限分割的」的假設後,上面的例子在日常生活中是會產生矛盾的。由此可以推論,顯然「時間可以被無窮分割」這一個假設應該是有問題的。 





有趣的是,為了駁斥一般人認定宇宙是由某些有限而不可分割的元素所組成的錯誤認知,芝諾還提出另一個飛矢不動(arrow paradox悖論。在飛矢不動的悖論中,芝諾無情的指出我們的這個認知有多麼錯誤!然而,也正是我們這些錯誤的認知,讓芝諾能夠提出這些看似矛盾的悖論。




他的論述中,芝諾似乎在告訴我們:宇宙既不是連續的(無限可分割的),也不是離散的(由不連續的、有限個不可分割的部分所構成的)。芝諾對宇宙這種看似矛盾的描述,事實上呼應了2000多年後相對論中所提出的時空概念。例如:根據現代物理學,光被視為具有雙重身份:有時光的表現像粒子(離散的),有時光表現出來的又像波(連續的)。

 



芝諾的一元論信仰(時間和空間既相互依存定義的現象)很類似當今天文物理學裡的「世界線(worldlines)」之觀念;世界線是指存在於時空(spacetime)中的粒子的歷史;事件 (Event) 的「發生」和前後的「連續演變」,可以用四維座標 r = (ct, x, y, z) 來標示。而在物理系統中,某一事件 r 隨著物理現象的發展而連續發生變化, 此變化的軌跡稱為「世界線 (world line) 」





芝諾的悖論不但挑戰著我們對時間和空間的瞭解;而且他的這些論點還可以巧妙地與當今最先進的科學假設連結在一起。嗯,簡單的問題還真是不簡單!
( 知識學習其他 )
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引用
引用網址:https://classic-blog.udn.com/article/trackback.jsp?uid=jiangmingdar&aid=3930652