爲什麼過河要用到微積分?

       常常聽說“物理學大廈”的比喻,比如大廈裏的這個房間是“熱力學”,那個房間是“牛頓力學”,那邊那個是“量子力……既然是大廈,那在裏面順便養點可可愛愛的小動物不過分吧?

       多年以來,大廈住戶衆多,因此動物(在對物理學進行討論的過程中人們提出的各樣載體和假設算是一種思想實驗)也不少,其中相當知名的便是物理學四大神獸——芝諾的龜龜拉普拉斯妖麥克斯韋妖薛定諤的可愛貓貓

看看老芝

        從時間順序來說,芝諾的烏龜是最早提出的,說是在公元前五世紀,古希臘人芝諾(芝諾的烏龜當然是芝諾提出來的啦,然而洛必達法則並不是洛必達提出的)在阿基里斯前1000米初放了一隻烏龜讓他去追,在相同時間t內阿基里斯每跑10s(s>0)米烏龜就會前進s米,也就是說,阿基里斯跑完1000米的時候烏龜在前方100米,阿基里斯跑完100米的時候烏龜在前方10米處……二者的距離會發生這樣的變化“1000—>100—>10—>1—>0.1—>……”,無限趨近於0。

跑得比烏龜還慢(惱)

極限問題

        龜人賽跑的故事實在是廣爲人知,師出同門的河流無限細分悖論聽起來則會更加新奇、耐人尋味,現在假如張三要過河,他可以這樣看待這個問題:

        可以將河流平均分爲兩等份,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),而後以此類推(1—>1/2—>1/4—>1/8—>1/16……),這就有了無限分割出來的很小的一半,而每個一半都要相應的時間t,t乘上無窮個一半,不就是無窮嗎?

        因此張三過河需要的時間是無窮久

張三:困惑🤔

不是問題

       河流問題在理解上比龜人賽跑要抽象,但在實踐上卻簡單得多,因爲我們僅憑日常生活的經驗就可以知道張三是錯的——這是最淺層最簡單的解釋。

       從運動的屬性來看,現實中的運動是連續自然的,因此並不能用“完成一個時間和空間上無限小的步驟後再完成下一個直到完成無限個”的模型進行套用,更簡單地說,現實中的運動不能進行這樣的拆分,我們在數學和物理上只是爲了方便計算精簡模型纔會這麼做的。

       從時空本身的性質看,時空本身是可以無限拆分的嗎?這似乎和某些量子力學領域的某些假設產生了衝突,倘若時空只能細分到普朗克尺度,那麼就根本不會存在“無限分割出來的很小的一半”,它實際上應當是有限的,只不過數量很多而已。

       從數學角度來看,這實際上是一個微積分的問題,在已知條件充足的情況下,使用一定的數學技巧就可以算出過河流的時間,提供最直接又客觀的答案。

     所以爲什麼過河要用微積分?應該是爲了幫助人知其然知其所以然吧,建立一個自洽科學理論解釋問題,然後不斷修補推翻應用它,大概就是這樣的。

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