书城教材教辅中学理科课程资源-感知物理哲学
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第14章 悖论与科学发展(1)

(第一节 )命题·推演·矛盾

悖论的故乡可以说是古希腊,聪慧的哲人常常提出一些幽默风趣的难题使人真假难分。例如,《鳄鱼与小孩》就是一则脍炙人口的逻辑悖论。

一条鳄鱼从一位母亲手中抢走了一个小孩,鳄鱼想吃掉小孩,又要名正言顺。于是说:“我不会吃掉你的孩子的,只要你答对了我提出的问题就行。我问你,我会不会吃掉你的孩子呢?”母亲迟疑了一阵答道:“你是要吃掉我的孩子的。”

鳄鱼想:“我要是把小孩吃掉,她的话岂不是答对了?那么,我就该放了她的孩子。如果算她没有答对,那就是说我不会吃掉她的孩子,也该放走她的孩子。”也就是说,鳄鱼无论怎么做,都无法违背自己的诺言,只有放走小孩才行。机智的母亲成功地保护了孩子。

开始,这些悖论只是作为茶余饭后的话题,没有引起人们的重视,到了近代,人们才逐渐认识到了它的重要性。

那么,什么是悖论呢?

悖论是逻辑学名称。在占希腊,悖论(或佯谬)被称为“疑难”,在希腊文中的意思是“无路可走”,转义为“四处碰壁,无法解决”。

现在人们对它有不同的理解。下面先介绍对悖论的几种理解,然后给出一个较为合理的定义,并举例说明。

有人认为,悖论足一种导致逻辑矛盾的命题,这种命题,如朱乐队它是真的,那么它又是假的;如果承认它是假的,那么它义是真的。

有人认为悖论是指这样一个命题A,由A出发,可以找到一个语句B,然后,若假设B真,就可推得——B(非B)真,亦即可推出B假;符假设——B真,即B假,又可推导出B真。

有人认为,如果有一个命题,由它的真可以推出它的假,而由它的假又可以推出它的真,则这个命题就构成一个悖论。

还有人认为,悖论是指这样的推理过程,看上去它是没有问题的,但结果却得出了逻辑矛盾。

上述各种说法都有合理的成分,但不够完全。因为从实质上说,任何一个悖论都相对地被包含在某个理论体系中。所以,在给悖论下定义时,应该有“相对于某一理论体系”这个前提。悖论最后总是推出矛盾,但这种矛盾的表现形式可以是多种多样的,它既可以表现为同时证明两个互相矛盾的命题,也可以表现为证明了两个互相矛盾命题的等价形式。所以,我们更倾向于以下的悖论定义:如果某一理论的公理和推理,原则上是合理的,但在这个理论中却推出了两个互相矛盾的命题;或者证明了这样一个复合命题,它发现为两个互相矛盾的命题的等价式。那么,我们就说这个理论包含了一个悖论。

在物理学中,悖论也常译为佯谬,这与英语是一致的。在英语中,悖论和佯谬都是一个单词“Paradox”(如郑易里、曹成修编,商务印书馆1984年版《英华大词典》第1003页)。当然也有人指出,严格区分的话,悖论与佯谬在科学使用上及内涵上都有不同。佯谬通常是指:人们从某种假设出发进行逻辑推理,却导出了与事实(或可设想的事实)不符的结论,但一时又难以确定问题出在何处:是作为出发点的假说有错误(错在哪里)呢,还是推理过程不够正确、存在缺陷呢?而悖论指,从一种或一些观点、原理出发,合乎逻辑地导出两个互相矛盾的判断。悖论与理论不同,谬论是在相应的理论体系下以阐明其错误的原由的;而悖论却是通过其所在的理论体系无法阐明其错误的原由的。

在这里,我们还是把悖论与佯谬看做是通用的,并尊重历史上使用的习惯。

(第二节 )前提·过程·范围

在物理学的发展中出现悖论是不可避免的,是科学发展的正常现象。为什么说是不可避免的呢?这是由于科学理论总会也含内在的逻辑矛盾。事实证明,想一劳永逸地消除这种内存的逻辑矛盾是不可能的。

具体地讲,产生悖论的主要原因有以下几个方面。

“无限”是悖论产生的重要诱因之一

由于人们对“无限”这个慨念存在模糊的认识,所以导致许多矛盾,而且不易解决。

例如,每个人都知道“整体大于部分”,2000多年以前的欧几里德在构筑几何学大厦时,就把这个命题当成不可怀疑的公理。但是,1638年伽利略却发现了一个与这条公理不可调和的事实。

众所周知,平方数是自然数的一部分,因此,由“整体大于部分”可知,自然数集的元素“总数”比平方数集的元素“总数”要苫。但是,对于每一个自然数n,都有一个平方数n2。与之对应,因此就出现了“部分等于整体”的悖论。这就是有名的伽利略悖论。显然,这是把适于有限的公理滥用于无限所致。

再如,自然数的和1+2+3+4+…+n,与奇数的和1+3+5l+7+…十(2n-1),当“趋于无限时,它们哪个大?”一方面,第二个和可以看做第一个和中去掉了一些项而得到的,因此依据“整体大于部分”的公理,第一个和大于第二个和;另一方面,除第二个和的第一项与第一个和的第一项相等外,从第二项开始,以后的每一项都是第二个和的项大于第一个和中的相应项,因此第二个和应该大于第一个和,这样又出现“部分大于整体”的结论。

这两个结论究竟哪个对?显然,在有限数的和中是没有这种矛盾的。这些悖论深刻地反映了有限和无限的矛盾。它提醒人们,不要把适于有限的公理推广到无限上。

在物理学中,典型的例子就是“引力佯谬”,它是德国天文学家西利格尔于1894年提出的。经典宇宙学认为:①星体占据的空间是欧几里德空间,而且是无限的;②宇宙中有无限多个星体且均匀分布在无限的空间里,因而宇宙中的物质密度处处都j不等于零;③牛顿的万有引力定律适用于整个宇宙。在以上三点假定之下,牛顿的万有引力理论将导致引力场中任一点的场强为无穷大,因而每一个物体都将具有无限大的加速度和速度。

但是,事实上并没有出现这种情况。之所以出现这一佯谬,就是因为将适用于有限的理论外推来描述无限的宇宙所造成的。

2.逻辑错误导致悖论

在科学研究过程中,往往因为科学家思考不周密或别的m么原因犯了逻辑错误,从而导出悖论。

例如,法国物理学家朗之万提出的孪生子佯谬就是一例。根据相对论,在高速飞行的宇宙飞船里的宇航员经过较长时间的飞行返回地球时,就会发现自己比同时代的人要年轻得多。设想有甲、乙两个孪生子,在年满20岁时,甲留在地球上,而乙乘飞船以相对于地球为v0=0.99c(c为光速)的速度做星际旅行,当乙观察到时间△t0=10年时返回地面。按照狭义相对论的观点,甲在地球上看来,乙做星际旅行所经历的时间为△t=△to1-ν20/c2=101-(0.99/c)2/c2≈70(年)

也就是说,当乙乘飞船返回地球时是30岁,而他的孪生兄弟却已是白发苍苍的90岁老人了!

但是,朗之万认为这是绝不可能的事,因为根据相对论,一切物体的运动都是相对的,所以也可反过来再假定宇宙飞船不动,地球相对于飞船运动。那么,在地球运回飞船时,人们会发现地球上的甲比飞船中的乙要年轻。显然,根据同一理论不应得出两个截然相反的结论。他认为要想不犯逻辑上的错误,只有两个孪生子的年龄完全一样,所以必须抛弃相对论。这就是有名的双生子佯谬。它引起了许多科学家的关注。问题究竟出在哪里呢?

原来,地球是惯性系,飞船是非惯性系,而爱因斯坦的狭义相对论仅适用于惯性系,不能适用于飞船这一非惯性系统,所以把地球看成不动和把飞船看成不动,两者是不等价的。在推导过程中,一开始把地球看成不动所得出的结论是正确的;若把不动系统换成飞船,当然要得到荒谬的结论。这是在推导中犯了偷换命题的错误。

3.推理所依据的前提有问题而造成佯谬

物理学史上所谓的玻尔兹曼佯谬就是这样产生的。我们知道,加热一个物体时,这个物体的分子运动就会加速。在经典物理学中,有一条“能量均分定律”。按照这个定律,当一物体达到热平衡时,加热这个物体所消耗的热能,会迅速平均分配到一切可能的运动方向上。这样,加热一个物体时,其分子得到热能,它的运动就会加速。同时,分子内的原子也会得到一部分热能,它的运动也会加剧;而原子内还有原子核和电子,原子核内还有质子、中子,质子和中子内还有更基本的粒子,所有这些粒子都将得到热能。

照此推理下去,为了加热一块小物体,要消耗的热能会大得不可想像,显然这和我们实际观察到的事实是不相符的。为何会出现这一佯谬呢?原来“能量均分定律”的使用是有“阈值”限制的。

在宏观世界里,物体越大,要使它开始运动的最小能量(即闽值)就越大。但是,在微观世界中,情况正好相反,层次越深的粒子其阈值越大。

例如,质子、中子的闽值比电子的大,电子的阈值比原子的大,而原子的阈值又比分子的大。所以,当加热物体的热能不多时,它只能引起分子和原子的运动状态变化;只有当热能足够多、使物体的温度升得非常高时,它才能达到或超过质子和中子的阈值,从而改变它们的运动状态。因此,一般情况下加热物体时,并不影响较深层次的粒子,因而不需要巨大的能量。

4.与历史条件和人的认识水平

因为悖论是相对于某个理论体系而言的,所以悖论也总是与一定的历史条件相联系。如前所述的伽利略悖论,实际上是相对于欧几里德理论体系的,但是若把它放在集合理论中,就不成悖论了。

悖论的产生与发展,kilt人的认识在一定历史条件下的局限性与相对性。

流体静力学中有这样一个问题:在如下图所示的底面积相同、形状不同的容器中,充入相同高度为h的水,试问:各容器底部所承受的压强和压力各是多少?

应该说,这是现在初二以上的学生都能正确回答的问题。但是,在相当长的一段历史时期内,却是工程师、物理学家们争论不休的问题。其根本原因就在于当时对液体“压强”的概念理解不清,甚至是错误的。一直到1586年,才由斯特芬从理论与实验上彻底解决了这个所谓的“流体静力学佯谬”。

5.语义学方面的原因造成悖论

例如,“说谎者悖论”——“某人说:‘我说的这句话是谎话。’问这句话是真话还是谎话?”如果你认为他说的是真话,那么就肯定了他说的是谎话;如果你认为他说的是谎话,那么就又肯定了他这句话是真话。

又如,著名的“理发师悖论”——“有一位理发师给自己立了一条规矩:我只给村子里自己不给自己理发的人理发。”请问,这位理发师该不该给自己理发?如果他不给自己理发,那么他属于“自己不给自己理发”的村民,按规定他必须给自己理发;反之,如果他给自己理发。那么他属于“自己给自己理发的村民。”那么他不应该给自己理发。因此,不论怎么办,都将导致矛盾。

(第三节 )惊讶·思考·突破

历史证明,数学、逻辑学、语言学、哲学以及物理学的发展都与悖论研究有直接关系。因此,从方法论的角度来讲,研究悖论有重大的意义。

数学悖论是数学发展过程中的一个重要存在形态。为了排除数学悖论,20世纪初形成了三大学派,从而推动了20世纪数学的发展。

悖论的出现,实际上就是矛盾的白热化,从而冲击人们的传统观念,引起普遍的危机感。这样的情况在数学发展史中就曾出现过三次,而且三次危机的解决都引起了数学的重大发展。

毕达哥拉斯悖论引起第一次数学危机,危机的解决导致了公理几何学与逻辑的诞生;贝克莱悖论引起了第二次数学危机,危机的解决导致了分析基础理论的完善与集合论的创立;罗素悖论引起第三次数学危机,危机的解决导致了数理逻辑的发展与一批现代数学分支的产生。

同样,悖论在物理学的发展过程中也起着重要作用并具有方法论意义。

悖论在物理学研究中的作用

(1)悖论是物理学发展的直接动因之一。物理学家常以悖论(或佯谬)的形式表示自己对一些问题的惊异看法,而悖论的解决又会促进物理学的发展,甚至导致一场科学革命。下面举例说明:①从伽利略时代起,人们就知道不论任何物体,在地球引力作用下产生的加速度都是相等的,据牛顿第二定律和万有引力定律应该有m惯a=m引GMR2。

应为一个普适常数。式中:m惯和m引分别表示物体的惯性质量和引力质量,M是地球的质量,R是物体距地心的距离,G是引力常数,a是物体的加速度。

人们已经习惯的上述关系式,却引起了爱因斯坦的万分惊奇。他队为,如果上式对任何物体都成立的话,那就意味着惯性质量与引力质量相等。他曾说:“在引力场中一切物体都具有同一加速度。这条定律也可以表述为惯性质量同引力质量相等的定律。它当时就使我认识到它的全部的重要性。我为它的存在感到极为惊奇,并猜想其中必定有一把可以更加深入地了解惯性和引力的钥匙。”

爱因斯坦用了一个佯谬的形式表示了他的惊奇:为什么任何物体的引力质量和惯性质量之比是一个普适常数,而与具体物体的性质无关?

他相信,这一佯谬的解决,一定可以揭示惯性力和引力之间必然存在的更深刻的联系。在这一信念的激励下,爱因斯坦终于创立了最杰出的物理学理论——爱因斯坦引力理论。

②由于牛顿力学的巨大成功,人们对牛顿三大定律更加深信不疑,奉为金科玉律;而且,在相当长的一段时间内,它的确也是无往而不胜的。但是,当逐步扩大牛顿定律的适用范围时,却不是那么一帆风顺,甚至被疑为陷入绝境了。

有趣的是,它起因于一件生活小事。桌上放一乒乓球,正上方放一玻璃漏斗,用嘴从漏斗对着小球吹气(如图),依照生活常识和牛顿第二定律,小球应该被紧紧地压在桌面上或者被吹走。然而与人们的预料相反,小球反而被吸进了漏斗。当吹气并提升漏斗时,尽管小球受到重力作用,以及往下吹的气流作用,但是小球并不离开漏斗掉下去,而是跟着漏斗一起上升。小球为什么会“违背”牛顿第二定律而向相反方向运动呢?

这一出乎预料的效应(还可举出一些实例)引起了人们对牛顿第二定律的怀疑:这可能说明流体不同于固体,它不遵守牛顿第二定律。是否需要另找一套适于流体的新规律呢?这就是有名的“流体动力学佯谬”。

为了解决上述矛盾,瑞典数学家伯努利进行了深入探索,取得了令人瞩目的成就,并于1738年出版了《流体动力学》一书。

伯努利从牛顿第二定律这一普遍规律出发,得出了流体动力学中一个非常简洁的原理伯努利原理。用它不仅可以圆满地解释上述佯谬,而且还可预言其他新的现象。所以,人们也把上述佯谬称为“伯努利佯”

“山穷水尽疑无路,柳暗花明又一村”,牛顿力学经历了这一坎坷之后,流体动力学却因此脱颖而出。