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芝诺佯谬的物理解释是什么,时间有无最小单位?

2020-04-28科学

我在另一个问题下写过关于芝诺佯谬以及时间和空间是否有最小单位的问题。直接搬运如下:

这个思想实验跟量子力学的关系并不大,反而是跟广义相对论的关系更大些。有很多人试图用所谓的『量子力学中的空间和时间是不连续的』来解释芝诺悖论,这是不对的。因为 在量子力学中空间和时间都是连续的 ,关于这一点我在另一个问题下的回答中也已经讨论过了。

时空确实有可能是不连续的,但那已经超过量子力学的范围了,要涉及到量子引力理论。

芝诺悖论(以及其他一些类似的悖论)的解决也并不依赖于时空连续与否。它的本质是 参照系的变化 (通俗地理解就是时钟和尺子的变化)。

在物理学中,当我们要讨论一个物理过程时,我们不能含糊笼统地谈论一些物理量,因为很多看起来的『悖论』和『矛盾』就来自于模棱两可的文字游戏。比如在芝诺悖论中当我们要讨论时间的时候,我们就需要先想清楚如何去测量这个时间,换句话说,我们需要先 选定时钟 。如果选定的时钟不同,那得到不同的结果是很正常的。

在有些情况下,时钟选择的自由度是很大的,比如芝诺悖论的情景下就是。我们可以选择很直观的那种『正常』的时钟,那样得到的结果就是兔子可以在这个时钟走过有限时间后追上乌龟。我们也可以选择以题目中所提到的那种『兔子到达乌龟之前到达过的地点』事件作为构造时钟的周期性事件,那么得到的结果就是兔子在这个时钟走过任意有限时间时都无法追上乌龟。 这两个看似矛盾的结论在各自的参照系下都是正确的。

在广义相对论中,还存在与此相关的例子。但在这个例子中,同一个观察者对时钟的选择的自由度就没有芝诺悖论中那么高。这个例子就是向黑洞自由下落的小质点:在静止于黑洞外无限远处的观察者看来,这个质点会逐渐趋近于黑洞的事件视界,但永远也不会在有限的时间内到达并跨过事件视界;但在质点自己作为观察者看来,它会在有限的时间内到达事件视界并进入黑洞。在这个例子中,笼统地问『质点有没有进入黑洞』是没有意义的,只有先确定用的是那个参照系才可以讨论质点是否进入了黑洞。

题目中的芝诺悖论也同理。在以题目中所提到的那种『兔子到达乌龟之前到达过的地点』事件作为时钟周期性事件的参照系中,兔子确实无法在有限的时间内追上乌龟。但在日常使用的参照系中,兔子确实可以在有限的时间内追上乌龟。并不存在真正的『矛盾』或『悖论』。 我们不能脱离具体的参考系去讨论物理过程。