芝诺当然知道这些所谓“悖论”并不真的存在,但关键是如何破解,给出令人信服的解释。
这里笔者着重讨论其与极限法微积分(第二代微积分)的关联性问题,它涉及极限(包括可达极限与不可达极限)、无穷(包括潜无穷与实无穷)等问题,由此还可以看成极限法微积分的问题。
芝诺悖论主要包括以下几个悖论(直接引自文献):
两分法悖论:芝诺:"一个人从A点走到B点,要先走完路程的1/2,再走完剩下总路程的1/2,再走完剩下的1/2……"如此循环下去,永远不能到终点。
假设此人速度不变,走一段的时间每次除以2,时间为实际需要时间的1/2+1/4+1/8+......,则时间限制在实际需要时间以内,即此人与目的地距离可以为任意小,却到不了。
实际上是这个悖论本身限定了时间,当然到达不了。
《庄子·天下篇》中也提到:"一尺之棰,日取其半,万世不竭。"
芝诺与庄子悖论的区别为芝诺悖论一定时间内行走的距离不变(即速度不变),而庄子时间不变,这段时间里的工作却越来越少(速度越来越慢),可以看出芝诺限制了时间,而庄子的理论可以使时间为无穷大。
阿喀琉斯追乌龟悖论:阿喀琉斯是古希腊神话中善跑的英雄。
在他和乌龟的竞赛中,他速度为乌龟十倍,乌龟在前面100米跑,他在后面追,但他不可能追上乌龟。
因为在竞赛中,追者首先必须到达被追者的出发点,当阿喀琉斯追到100米时,乌龟已经又向前爬了10米,于是,一个新的起点产生了;阿喀琉斯必须继续追,而当他追到乌龟爬的这10米时,乌龟又已经向前爬了1米,阿喀琉斯只能再追向那个1米。
就这样,乌龟会制造出无穷个起点,它总能在起点与自己之间制造出一个距离,不管这个距离有多小,但只要乌龟不停地奋力向前爬,阿喀琉斯就永远也追不上乌龟!
其实这归根到底是一个时间的问题。
譬如说,阿基里斯速度是10m/s,乌龟速度是1m/s,乌龟在前面100m。
实际情况是阿基里斯必然会在100/9秒之后追上乌龟。
按照悖论的逻辑,这100/9秒可以无限细分,给我们一种好像永远也过不完的印象。
但其实根本不是如此。
这就类似于有1秒时间,我们先要过一半即1/2秒,再过一半即1/4秒,再过一半即1/8秒,这样下去我们永远都过不完这1秒,因为无论时间再短也可无限细分。
但其实我们真的就永远也过不完这1秒了吗?
显然不是。
尽管看上去我们要过1/2、1/4、1/8秒等等,好像永远无穷无尽。
但其实时间的流动是匀速的,1/2、1/4、1/8秒,时间越来越短,看上去无穷无尽,其实加起来只是个常数而已,也就是1秒。
所以说,芝诺的悖论是不存在的。
飞矢不动悖论:设想一支飞行的箭。
在每一时刻,它位于空间中的一个特定位置。
由于时刻无持续时间,箭在每个时刻都没有时间而只能是静止的。
鉴于整个运动期间只包含时刻,而每个时刻又只有静止的箭,所以芝诺断定,飞行的箭总是静止的,它不可能在运动。
上述结论也适用于时刻有持续时间的情况。
对于这种情况,时刻将是时间的最小单元。
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