物理学和数学历史上的10个精彩悖论及其解决方案

哲诺悖论(Zeno's paradoxes)

一系列挑战运动、空间和时间概念的悖论。其中之一是“二分悖论”,它认为要想到达目的地,必须先到达一半的距离,然后是剩余距离的一半,依此类推,从而认为运动是不可能的。

如何解决

现代数学中,我们使用微积分和数学分析来解决这个悖论。通过将距离和时间切割为无限小的部分,我们可以证明运动是可能的,并且可以到达目的地。

一个常用于解决这个悖论的方法是使用无穷级数求和公式。理论上,无限个数的总和可能为有限的数。 在哲诺的二分悖论中,你要进行无限次的“二分前进”。首先,你需要走完全程的一半,这是1/2。然后,你需要走剩下路程的一半,这是1/4。接下来,你需要走接下来路程的一半,这是1/8。依次类推。 数学上,这构成了一个无穷级数,即: 1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16 + 1/32 + ... 等。

如果你把这个级数一直加下去,你会发现,级数的和会无限接近于1,但永远不会超过1。这就是如何使用数学方法解决哲诺二分悖论的:尽管你需要进行无限步的移动,但这些无限步移动的总和是有限的,所以你可以到达目的地。

罗素悖论(Russell's paradox)

源自朴素集合论的悖论,允许构建一个包含所有不包含自身的集合。悖论在于这个集合是否包含自身,如果包含则根据定义它不属于这个集合,如果不包含则根据定义它应该属于这个集合。

如何解决

在现代数学中,我们使用集合论的公理化方法来解决罗素悖论。通过受限制的集合公理化系统,规避了自我包含的问题,从而避免了这个悖论。

首先,大家经常都会听到关于朴素集合论的定义,即“任何性质的对象的全体都构成一个集合”。而罗素悖论便是针对这个定义进行的挑战。

在解决罗素悖论的办法中,最重要的一种可能是ZF(Zermelo-Fraenkel)集合论,它的基本思想是施加限制,只允许我们基于已知的集合构造新的集合。

例如,ZF集合论中的“分离公理”允许我们从已存在的集合X中提取出满足某种性质P的元素,从而得到新的集合Y = {x ∈ X : P(x)}。但这需要已经有一个存在的集合X。这一限制就防止了像罗素那样的自指涉的构造,因为无法找到一个已知的集合,使得我们可以在此基础上构造出罗素那样的集合。

这样,通过ZF集合论,我们得以避免了罗素悖论,因为它不允许我们构造出罗素那样的集合。同时,ZF集合论也被证明是非常强大的,足以表述几乎所有数学的基础。简而言之,解决罗素悖论的方法并非要推翻朴素集合论的所有命题,而是对集合的构造施加一些限制。

但是要注意,虽然ZF集合论成功规避了罗素悖论,但它并没有解决所有可能的悖论问题。例如,Gödel的不完全性定理就揭示了即使在ZF集合论中,仍然存在一些无法被证明的真命题。

针对如何解决的,举个具体的例子说明下

理发师悖论(The barber paradox)

罗素悖论的变体,故事中有一位男理发师,他为那些不给自己理发的男人理发。悖论在于这位理发师自己是否给自己理发,如果给自己理发则不属于他理发的男人群体,如果不给自己理发则属于他理发的男人群体。

如何解决

这个悖论提出了自指的问题,而现代数理逻辑和集合论中的递归理论提供了解决方案。通过对集合成员的分类和定义进行精确规定,可以避免这种自指的矛盾。

解决这个悖论并不是通过寻找一个确定的回答 (也就是说, 确定理发师是否理自己的发自己的,或者他是否不理自己的发),而是通过重新考虑我们的假设或规则来避免这个悖论。在这种情况下,我们需要重新考虑我们对理发师的定义:一个理所有不理自己发的人的发的人。这个定义因其自我指涉而产生矛盾,所以我们所需要做的就是修改这个定义。

例如,我们可以简单地规定理发师不能理自己的发。这样, 我们就可以清晰地定义一位理发师:一位为所有其他男子理的发的人。在这个定义下,理发师就不能理自己的发,而只能理所有其他人的发。悖论即得解决。

或者我们也可以说在这个小镇上有两位理发师,一位只为给自己理发的人理发,另一位则只理为他人理发的人的发。这样,第一位理发师可以理第二位理发师的发, 第二位理发师可以理第一位理发师的发,他们都不会理自己的发,悖论也即得解决。

总的来说,解决这类悖论的关键在于识别出问题所在(在这种情况下是不允许自我指涉的定义),然后改变我们的规则或假设来避免矛盾产生。

说谎者悖论(The liar paradox)

涉及自我矛盾陈述的悖论,例如“这句话是假的”。悖论在于这个陈述是真还是假,如果它是真的,则根据自己的说法它是假的,如果它是假的,则根据自己的否定它是真的。

如何解决

现代逻辑学中使用了弗雷格尔逻辑和模态逻辑等工具来解决说谎者悖论。通过对陈述进行语义和语法上的分析,我们可以表达出陈述的不确定性,并规避悖论。

逻辑学家使用各种方法来解决说谎者悖论,其中之一是弗雷格尔逻辑,另一种是模态逻辑。以下是两种可能的方法:

  1. 弗雷格尔逻辑(Fregean logic):

弗雷格在解决这个悖论时,首先把命题分为两级:第一级命题和第二级命题。第一级命题是可以判断为真或假的命题,第二级命题是关于第一级命题的命题。在这种逻辑中,“这句话是假的”是一个第二级命题,而这个命题在被判断真假之前,它指向的第一级命题必须先被判断为真或假,但是这里并没有第一级命题,所以“这句话是假的”这个命题其实是没有意义的。

  1. 模态逻辑(Modal logic):

模态逻辑通过引入对语句真实性的可能性的讨论,如必然和可能,来解决悖论。“这句话是假的”就可以解读为“在所有可能的世界中,这句话在所有情况下都是假的”。这样,假设有一个可能的世界使得这个句子为真,那么就存在一个矛盾,所以这个句子只能是假的。

无论哪种方法,都是试图通过对语句的解构和重新理解,来解决说谎者悖论的问题。

山積積悖论(The sorites paradox)

涉及命题模糊性和两个类别之间界限的问题,例如一粒沙不是一堆,加一粒沙也不构成一堆,那么究竟需要多少粒沙才能构成一堆呢?悖论在于似乎无法给出明确的答案。

如何解决

现代哲学和逻辑学中,我们认识到某些命题存在着模糊性和边界的问题。这种模糊性问题被广泛研究,如模糊逻辑和模糊集合论等提供了一种对模糊概念进行精确处理的方法。

模糊逻辑和模糊集合理论的应用在生活中非常广泛,例如在医学决策和评估领域、智能交通系统、自动洗衣机的模糊控制等等。我将给出一个在自动驾驶车辆中如何应用模糊逻辑来解决类似山積積悖论的模糊问题的例子来解释。

考虑自动驾驶车辆在决定是否刹车的情况。设定一个清晰的速度界限--比如说,每小时80公里--可能是危险的,因为驾驶条件(包括交通,路面状况,天气等)会影响当车速安全或危险的判断。同样,我们也不能说,每增加1公里/小时的速度,安全风险就增加一个固定的百分比,因为这个增加的风险会随着速度的增加而变化。

在这种情况下,模糊逻辑可以提供一个解决方案。我们可以定义一个“模糊集合”,其中每一个速度都被赋予一个“隶属度”表示该速度对“危险”这一概念的符合程度。例如,每小时30公里的速度可能有0.1的隶属度,而每小时100公里的速度可能有0.8的隶属度。在模糊逻辑的指导下,系统可以根据速度以及其他相关因素(如抓地力,汽车之间的距离等)的隶属度来决定是否刹车,以及刹车的力度。通过这种方式,我们可以在没有明确的边界定义的情况下处理模糊的问题。

蒙提霍尔问题(The Monty Hall problem)

这是一个有趣的数学问题,涉及一个游戏节目情景,在三扇门中,一扇门后面有奖品,另外两扇门后面是山羊。参赛者选择一扇门后,主持人会打开另一扇门,揭示出一只山羊,并给参赛者一个机会换门。答案是参赛者应该总是换门,因为这样会将赢得奖品的概率从1/3提升到2/3。

如何解决

这个问题的解决方案是通过概率论和统计学的方法得出的。数学上的证明表明,根据概率分配原则,更换门后获奖的概率确实增加到2/3。

我们可以用一个具体的例子来解释:

  1. 初始,你有三扇门,奖品被随机放在其中一扇门后面,所以选择任何一扇门获得奖品的概率都是1/3。

  2. 假设你选择了门1。然后主持人,他知道每扇门后面是什么,打开了门2或者门3,其中一定是一只山羊。

  3. 现在,你有一个新的选择:坚持你的第一选择(门1)或者改选到另一扇未打开的门。主要的概率在这里变化,因为开始时你无知,而主持人在打开门时显示了信息。

  4. 如果你坚持你的选择(门1),这门后面有奖品的概率仍然是1/3。

  5. 但是,如果你选择更换,那么你现在开的门(门3或门2,取决于主持人最初打开哪一扇)获奖品的新的概率就变成了2/3。为什么呢?因为主持人已经间接地给你提供了信息,他打开的一扇门后没有奖品,很明显主持人这一次开门后没有奖品的概率是2/3(开始随机放置奖品时,2/3的概率奖品不会在你选择的门后)。所以,这2/3的概率就转移到了另一扇你还可以选择的门上。

所以,数学上的解决策略就是:当你得到新的信息之后,你应该更新你的概率评估,并基于新的信息作出最优的选择。在这个情况下,那就是更换你的选择。

生日悖论(The birthday paradox)

涉及在一群人中找到两人生日相同的概率,该概率比人们预期的要高。例如,在一个由23人组成的群体中,有50%的概率两人生日相同。

如何解决

生日悖论可以通过概率论来处理。生日悖论的解决方案是基于抽样和概率的理论,通过计算概率和统计分析,我们可以解释为什么在较小的人群中就存在相同生日的可能性。

用23人的集合来解释下如何求解。

先来假设一个情况:23个人的生日都不同。这个事件的概率是如何计算的呢?

第一个人的生日可以是一年中的任何一天,所以概率是365/365 = 1。对于第二个人,为了避免与第一个人的生日相同,只有364天可以选择,所以概率是364/365。对于第三个人,要避免与前两个人的生日相同,只有363天可以选择,所以概率是363/365。以此类推,对于第23个人,要避免和前22个人生日相同,只有343天可以选择,所以概率是343/365。

这些事件是同时发生的,所以我们需要把所有这些概率相乘。结果是

365/365 * 364/365 * 363/365 * ... * 343/365。

然后用1减去结果,就是至少有两人生日相同的概率,大约等于50.7%。

你可以看到,在一个仅有23人的群体中,至少有两人生日相同的概率就超过了一半,这就是被称为"生日悖论"的现象。

Banach-Tarski悖论(The Banach-Tarski paradox)

涉及选择公理和数学中的非可测集合概念,悖论指出可以将一个实心球分解成有限数量的部分,然后将它们重新组装成大小和体积与原来相同的两个实心球。

如何解决

Banach-Tarski悖论的解决方案是在现代数学的框架下使用测度理论和点集拓扑学的高级概念。解决方案依赖于对非可测集合和选择公理的讨论,这些概念已经在数学的专门领域中进行了详尽研究。

实际上我们不能直接解决Banach-Tarski悖论。这是因为它基于一个非常深奥的数学事实:在无限的世界里,我们可以以一种不直观的方式"添加"和"移动"数,可以得到一些违反常识的结果,例如Banach-Tarski悖论。

同时,我们也不能直接举一个简单的具体例子来“解决”这个悖论,因为它涉及到的概念(包括可测的集合、选择公理和一些相关的高级求福和拓扑学理论)都是非常抽象的数学概念,而且需要对抽象的集合论和其他高级数学有很深的理解。

然而,对于为什么Banach-Tarski悖论在实际物理世界中不会出现,我们可以给出一些解释。例如,这个悖论需要我们能够无限细地切割一个物体,而在现实生活中我们只能进行有限精度的切割。另一方面,这个悖论需要我们能够“重组”一个物体,但在现实生活中这通常会改变物体的性质(例如密度、形状等)。因此,即使Banach-Tarski悖论在数学上是可能的,但实际生活中不会出现这种现象。

双子悖论(The twin paradox)

涉及相对论中的时间膨胀现象,悖论认为如果一对双胞胎中的一个以高速在宇宙飞船上旅行并返回地球,他们会发现自己的兄弟姐妹比自己更年长。然而,从旅行的双胞胎的角度来看,他们的兄弟姐妹是以高速旅行的,应该比自己年长。

如何解决

双子悖论的解决方案是通过相对论和时间膨胀的数学推导来解释的。相对论提供了一种理论框架,可以解释由于相对运动而导致的时间差异,因此解决了双子悖论。

可以利用爱因斯坦的狭义相对论来解释,这需要一些数学和物理知识。假设在某个参照系(我们立足的地球)中存在两个事件,比如双胞胎A(在宇宙中旅行的)的出生和回来,这两个事件的时间间隔为Δt,空间间隔为0(因为他们都在地球上发生)。

然而,在双胞胎A的参照系中(这个参照系是与地球相对运动的宇宙飞船),同样两个事件(即他的出生和他的回来)的空间间隔也是0,因为在他看来这两件事情都是在宇宙飞船上发生的。但是时间间隔Δt'就不一样了。

根据狭义相对论,两个事件在不同的参照系中的时间间隔有如下关系:

Δt=γΔtγ=11v2c2vc

你可以看到,由于v接近c,所以γ会大于1。这就意味着在宇宙飞船上(双胞胎A的参照系)观察到的时间间隔Δt'会大于在地球上(双胞胎B的参照系)观察到时间间隔Δt。

所以双胞胎A在回到地球时看到他的兄弟已经老去,而他自己却还很年轻。这种现象就是相对论的时间膨胀效应。

然而,你可能会有疑问,为什么以双胞胎A为参照系,不以双胞胎B为参照系呢?实际上,这个问题的答案就在于加速度。双胞胎A在飞船上是经历了加速度和减速度的,这使得他的参照系是非惯性的,而双胞胎B在地球上是处于惯性参照系中。在相对论中,这两种参照系的处理方式是不同的。当考虑加速度的影响后,就能得出双胞胎A的年龄比双胞胎B少的结论。

祖父悖论(The grandfather paradox)

涉及时间旅行和因果关系的悖论,如果一个人回到过去,在其父母出生之前杀死自己的祖父,那么将阻止自己的存在。然而,如果自己不存在,就不可能回到过去杀死祖父。

如何解决

祖父悖论的解决方案是基于时间旅行理论的推论。根据一些时间旅行的假设和理论,如平行宇宙和多重时间线理论,被认为可以解决祖父悖论。这些理论提供了时间旅行中的因果循环得以保持一致的解释。然而,时间旅行理论仍然是一个活跃的研究领域,没有达到最终的共识。

以平行宇宙理论为例,我们来解释一下如何可能解决祖父悖论:

假设一个人名叫约瑟,他发明了一种能力使他能够回到过去。他决定试验他的新技术,并决定回到他父母出生前的时间,看看他是否能改变历史。

在那个过去的时间,他遇见了他的祖父并杀死了他。这样的话,按照常规的因果关系理解,他的存在将被消除,因为他的父母无法出生,也就无法有他的出生。然而,他仍然存在并且成功地杀死了他的祖父,那怎么解释这个悖论呢?

平行宇宙理论提供了一种可能的解释。在这个理论中,当约瑟回到过去并改变历史时,他其实是创建了一个新的平行宇宙或者时间线。在这个新的宇宙中,他的祖父是被他杀死的,然而在他原本的宇宙中,他的祖父并未被他杀死,于是他仍然如预期那样诞生并长大,并发明了时间旅行技术。

因此,原始的和新的两个宇宙现在是平行存在的,互不影响。所以,虽然在一个宇宙中他的存在不再可能,但在原始的宇宙中他仍然存在。这就是平行宇宙理论解决祖父悖论的一个具体例子。

 


参考:

https://x.com/PhysInHistory/status/1707745989413511228?s=20