为什么过河要用到微积分?

       常常听说“物理学大厦”的比喻,比如大厦里的这个房间是“热力学”,那个房间是“牛顿力学”,那边那个是“量子力……既然是大厦,那在里面顺便养点可可爱爱的小动物不过分吧?

       多年以来,大厦住户众多,因此动物(在对物理学进行讨论的过程中人们提出的各样载体和假设算是一种思想实验)也不少,其中相当知名的便是物理学四大神兽——芝诺的龟龟拉普拉斯妖麦克斯韦妖薛定谔的可爱猫猫

看看老芝

        从时间顺序来说,芝诺的乌龟是最早提出的,说是在公元前五世纪,古希腊人芝诺(芝诺的乌龟当然是芝诺提出来的啦,然而洛必达法则并不是洛必达提出的)在阿基里斯前1000米初放了一只乌龟让他去追,在相同时间t内阿基里斯每跑10s(s>0)米乌龟就会前进s米,也就是说,阿基里斯跑完1000米的时候乌龟在前方100米,阿基里斯跑完100米的时候乌龟在前方10米处……二者的距离会发生这样的变化“1000—>100—>10—>1—>0.1—>……”,无限趋近于0。

跑得比乌龟还慢(恼)

极限问题

        龟人赛跑的故事实在是广为人知,师出同门的河流无限细分悖论听起来则会更加新奇、耐人寻味,现在假如张三要过河,他可以这样看待这个问题:

        可以将河流平均分为两等份,先走前面一半再走剩下一半(1/2),而前面一半和剩下一半也都可以被均分,先走前面一半的一半(1/4),而后以此类推(1—>1/2—>1/4—>1/8—>1/16……),这就有了无限分割出来的很小的一半,而每个一半都要相应的时间t,t乘上无穷个一半,不就是无穷吗?

        因此张三过河需要的时间是无穷久

张三:困惑🤔

不是问题

       河流问题在理解上比龟人赛跑要抽象,但在实践上却简单得多,因为我们仅凭日常生活的经验就可以知道张三是错的——这是最浅层最简单的解释。

       从运动的属性来看,现实中的运动是连续自然的,因此并不能用“完成一个时间和空间上无限小的步骤后再完成下一个直到完成无限个”的模型进行套用,更简单地说,现实中的运动不能进行这样的拆分,我们在数学和物理上只是为了方便计算精简模型才会这么做的。

       从时空本身的性质看,时空本身是可以无限拆分的吗?这似乎和某些量子力学领域的某些假设产生了冲突,倘若时空只能细分到普朗克尺度,那么就根本不会存在“无限分割出来的很小的一半”,它实际上应当是有限的,只不过数量很多而已。

       从数学角度来看,这实际上是一个微积分的问题,在已知条件充足的情况下,使用一定的数学技巧就可以算出过河流的时间,提供最直接又客观的答案。

     所以为什么过河要用微积分?应该是为了帮助人知其然知其所以然吧,建立一个自洽科学理论解释问题,然后不断修补推翻应用它,大概就是这样的。

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