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物理四神兽——芝诺的龟

物理学中有非常多的思想实验，其中有四个比较出名，即芝诺的龟、拉普拉斯的妖、麦克斯韦的妖和薛定谔的猫。这四个思想实验中的龟、妖、妖和猫也被戏称为物理学四大神兽。从本篇开始，我将写四篇文章对上述四个思想实验做较为深入的解读和分析。

一、芝诺悖论的四种表述

芝诺的龟出自于芝诺佯谬（也叫芝诺悖论，Zeno’s paradox），而实际上，类似的悖论在中国古代的《庄子·天下篇》中就有描述。

芝诺佯谬来自于亚里士多德在其《物理学》的第VI卷中的转述，共有四个版本：

1、二分法悖论。如图1所示，现在有一个运动员从起跑点出发往终点跑去。他要想跑到终点，就必须先到达全程的一半处，而要想到达一半处，必须先到达1/4处，这个过程可以无限的进行下去，所以，他永远到达不了终点，或者说，他根本动不了。

《figcaption》图1 二分法示意图《/figcaption》

2、阿基里斯和龟。如图2所示，阿基里斯追前面的一只乌龟，阿基里斯的速度大于乌龟的速度。初始时乌龟处于A1处，等阿基里斯跑到A1处时，乌龟已经爬到A2处了；当阿基里斯再赶到A2处时，乌龟已经爬到A3处了……虽然每次追赶的距离越来越小，但是这个过程却是可以永远的进行下去的，因此阿基里斯永远追不上乌龟。

《figcaption》图2 阿基里斯和龟《/figcaption》

3、飞矢不动。如图3所示。一支飞行的箭是静止的。由于每一时刻这支箭都有其确定的位置因而是静止的，因此箭就不能处于运动状态。《庄子·天下篇》说的也是这个道理：疾飞之箭，每一瞬间箭既在某点，又不在某点，即所谓的“不行”“不止”，也就说箭既不动也不停，辩证的意味深远。另外，中国古代的名家慧施也提出过“飞鸟之景，未尝动也”的类似说法。

《figcaption》图3 飞矢不动《/figcaption》

4、运动场。假设在操场上有观众席A，列队B、C，如图4所示，在一瞬间（一个最小时间单位）里，相对于观众席A，列队B、C将分别各向右和左移动一个距离单位。而此时，对B而言C移动了两个距离单位。也就是，队列既可以在一瞬间（一个最小时间单位）里移动一个距离单位，也可以在半个最小时间单位里移动一个距离单位，这就产生了半个时间单位等于一个时间单位的矛盾。因此队列是移动不了的。

《figcaption》图4 运动场队列示意图《/figcaption》

以上是芝诺悖论的四种表述，这四种可分为两组，前两个假设时空连续，后两个假设时空是分立的。本文对悖论里的哲学辩证思想不做任何讨论，只从数学的角度探讨阿基里斯和龟悖论的原因，另外三个悖论感兴趣的读者可以自行研究。

二、阿基里斯和龟

本节我们详细推导一下阿基里斯追不上乌龟的数学原理。实际上，这个悖论的本质是两种不同的度量的比较，一个普通的时间 度量 ，在这个度量下阿基里斯最终追上了乌龟，另一个我们姑且称作“芝诺钟“ ”，在这个度量下，即使时间趋向于正无穷，阿基里斯也追不上乌龟。

假设开始时阿基里斯与乌龟相距
，二者的速度分别为
和 ，显然 。在普通钟下，当 时阿基里斯追上乌龟。而对于芝诺钟，每次阿基里斯到达乌龟本来所在的地方时，其“滴答”一下，也就是其值加一。因此，普通钟和芝诺钟的关系为：

《figcaption》图5《/figcaption》

因此有限的芝诺钟时间下阿基里斯是追不上乌龟的。

三、分析和讨论

阿基里斯与乌龟本质上来说就是对时间度量做了一个变换，把正常世界的时间映射到芝诺度量下，用芝诺钟的指示看运动，结论自然不一样。既然这是一个“佯谬”或者“悖论”，就说明这肯定是错误的。

也有人用量子力学中的“时空是离散的”这样的结论来证明芝诺悖论是不成立的，实际上这是不对的。首先，芝诺悖论提出的时候和量子力学并没有关系，其中的时空不连续也是辩证意义上的；其次，量子力学的时空是离散的并不是严谨的表达，实际上量子力学中并不存在时空离散这样的理论或者结论，具体的内容此处不过多说明。总而言之，芝诺悖论与量子力学扯不上关系。

阿基里斯与龟的悖论来自于芝诺钟的局限性，芝诺钟所能描述的时间范围只是普通钟的一段，那么，我们所使用的普通钟是否也有局限性呢？答案是有的！普通钟不能用来度量物体落入黑洞之后的过程，而物体向黑洞掉落的过程也需要无穷大的普通钟时间。因此，为了描述与黑洞相关的现象，我们也需要找到一个新的钟来度量这些过程。有兴趣的读者可以自行了解广义相对论的内容。

历史上，人们很早就开始怀疑“速度”这个量，这其中充满了哲学的味道。相传，在芝诺挑战运动现实性的时候，希腊哲学家、犬儒注意的代表性人物第欧根尼（Diogenes，412~323BC）以反对者的面貌出现——他站起来，一言不发地走了几个来回，然后又坐下，以此当做他优雅地反驳了芝诺。

注：本文部分内容引用国科大赵亚溥老师的力学讲义和维基百科，文中图片均来源于网路。

阿基里斯与龟

阿基里斯是荷马史诗中最善跑的英雄。芝诺是一名古希腊哲学家。芝诺认为，阿基里斯永远追不上乌龟。他的论证简要说来是这样的。阿基里斯要追上乌龟，首先必须到达乌龟原来的起跑点。可他跑到乌龟的起跑点需要一定时间，因而当他跑到乌龟的起跑点时，乌龟已经前进了一段路了，于是他又必须花一定的时间赶到乌龟的新的所在的点。而当他赶到乌龟新的所在的点时，乌龟又已经前进了一段路了。因而如此下去，阿基里斯永远也追不上乌龟。
这个小故事问题到底出在哪里？阿基里斯追不上龟么？错！他当然可以，只要你给他足够的时间和距离。只是芝诺走入了一个思维的死门，他想阐述无限接近这个概念，也就是无穷小。如果非要按照芝诺的想法来思考的话，会进入一个循环里面，一切都是思考方式问题。
比如：我们要跨过一个沙丘，必须先走过它的1/2，要想跨过1/2必须先走过1/2的1/2，也就是1/4，想跨过1/4也要先跨过它的一半。。。如此下去我们永远跨过不了沙丘。听了头疼吧，这就是芝诺的数学悖论《二分说》。