在高中的时候我有这么一个思考,灵感源于一道物理题目
一个小球从高度为 $h$ 的地方下落,落在地面上接着弹起,但是由于与地面碰撞造成能量损失,使得每次弹起的高度只有之前高度的 $1/4$。
这道题目看起来是没有什么问题,当时我的想法是每次球的高度都会变为原来的 $1/4$,所以球是会一直这样弹下去的,就像是庄子说的
一尺之棰,日取其半,万世不竭。
所以在这里我得到一个结论,小球会一直运动下去,所以小球的运动时间为无穷大。
但是当我计算时却发现不对劲,假设从高度为 $h$ 降落所需的时间为 $t_0$,由于下降所需时间 $t \propto \sqrt{h}$ ,那么 $h/4$ 下降所需的时间为 $t_0/2$,换句话说,每次上升然后下降所需的时间为之前所需时间的一半,所以耗费的时间的数列为
$$
t_0, , \frac{t_0}{2}, , \frac{t_0}{2^2}, , \dots, ,\frac{t_0}{2^n}, , \dots
$$
这是一个等比数列,公比为 $1/2$,我们对这个数列求和
$$
t_0 \lim_\limits{n \to \infty}\sum_{i=0}^{n} \frac{1}{2^i} = 2t_0
$$
我们得到这么一个事实,小球的运动时间不会超过 $2t_0$,也就是说小球会在 $2t_0$ 后停下,这与我在之前得到的结论相反,小球应该会一直弹下去,怎么会停下来呢?
所以我当时一直在苦恼,小球到底会不会停下来?
我与身边的同学讨论过这个问题,但是显然他们不仅没有给我正确的答案,反而最后也有这个疑问。而且这个问题一直没有得到解答,渐渐的我也就忘了这个问题,毕竟这种问题不会再考卷上出现,也不会影响我的学习。
而现在我突然想起这个问题,是因为我最近在看一本书《上帝掷骰子吗?:量子物理史话》,这本书是讲量子力学的历史的,这本书给了我一个启发来解决我上面的疑惑。
想必在我们大部分的认知中,我们会觉得认为时间是连续的,空间是连续的,能量也是连续的。汽车速度从 $0km/h$ 加速到 $100km/h$,那么速度一定会经过 $25km/h$,因为速度它是连续变化的;温度从 $0^{o}C$ 上升到 $100^{o}C$,那么它一定会经过 $25^{o}C$,因为温度也是连续变化的。
量子力学的创始者普朗克在研究物理问题时,由于数学处理的需要,他假设能量它不是连续的,而是离散的,有着最小单位,而能量的大小只能为这些最小单位的整数倍。普朗克带来这么一种观念,能量是离散的,而不是连续的,这在当时简直就是异类学说,甚至在普朗克最初提出这么一个概念时,他自己都不相信。但是最后我们知道量子力学它是对的,能量并不是连续的,而是离散的,只是能量的最小单位非常小,察觉不出来而已。
所以这给我带来的启发就是,空间它是不是也是离散的,它是不是也有着最小的单位,只是这个单位特别小,我们察觉不出来而已。如果空间也有着最小的单位,那当我们的高度已经是最小单位时,它是不是就会停下来,因为它不可能达到最小单位的 $1/4$,因为已经是最小了,如果比最小单位还小,那还能叫做最小单位吗。
所以我的结论就是小球会停下来,它不会永远的弹下去,因为空间有最小单位。
在这里我又想起了一个悖论,那就是芝洛悖论:
一个人和一只乌龟进行赛跑,乌龟的速度为 $0.1m/s$,人的速度为 $10m/s$,乌龟在人前方 $100m$,那么这个悖论就是人永远追不上乌龟,只能在无限的逼近乌龟,这是怎么回事?
假设乌龟在点 $B$,人在点 $A$,人要追上乌龟就必须要经过 $B$ 点
但是当人到达 $B$ 点时,乌龟已经到达 $C$ 点了
同理,人如果要追上乌龟的话,就必须会经过 $C$ 点,而当人到达 $C$ 点时,乌龟已经去了 $D$ 点了,如此往复,人永远都不可能追上乌龟,只可能在无限的逼近。这与我们的实际不符,那么我们怎么来反对这么一个悖论?
我们假设时间和空间不是连续的,不能够永远的分割下去,它们都有着最小的单位,即时间和空间都是离散的。在这样的假设下,那么人就不会无限的逼近乌龟,所谓的无限的逼近乌龟,指的就是人与乌龟之间的距离无限的趋近于 $0$,但是我们假设空间它不是连续的,即人与空间之间的距离不会无限的小,最小也只可能是一个空间最小单位。
那什么时候人会超过乌龟呢? 我们不妨假设人在 $1$ 个时间最小单位中能够移动 $10$ 个空间最小单位,而乌龟在在 $1$ 个时间最小单位中能够移动 $1$ 个空间最小单位,当人与乌龟之间的距离小于 $9$ 个空间最小单位时,那么在下一个时间最小单位,人就超过了乌龟。
所以,我认为这个世界的本质不是连续的,而是离散的。