《物理的故事——在悖论中前行》
第12节

作者: 江湖小片
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  幼年的牛顿和他的外婆一起生活。即便到了少年时期,也看不出他有特别之处,成绩平平,但是动手能力很强,时常做一些小物件,比如著名的“牛顿的风车”。牛顿的母亲一直希望牛顿安分的做个农民,在这点上牛顿肯定是让她失望之极。12岁的牛顿选择了上一所皇家中学。由于路途遥远,借宿在一个老师家里。虽然哥白尼、开普勒、伽利略、笛卡尔等人的学说和书籍都已经流行,但教科书显然要晚于时代潮流的,那时候的中学教的还是亚里士多德和托勒密那套。牛顿老师家颇多的藏书正好弥补了缺憾,让牛顿产生很多奇妙的想法。请原谅我的八卦,似乎我对此时牛顿的个人情感比对他的想法更感兴趣。他在老师家邂逅了老师的女儿,并产生爱慕,这个女孩可能是牛顿一生中唯一爱恋的女人。

  失望的母亲,一直没有打消让牛顿务农的想法。由于生活拮据,她让牛顿回来照看农场,可是牛顿放牛牛跑,看猪猪丢,唯一不会不跑不丢的就是手里的书。牛顿的舅舅发现这点,他认为外甥是个璞玉,并鼓励他去大学雕琢一番。
  19岁的牛顿告别家乡,前往剑桥大学深造。人生总得有个小目标,在大学4年里,他把一生想要干的事情,都列在纸上。1664年,牛顿毕业,正当他踌躇满志时,欧洲爆发了的黑死病把他打回了原籍。他待在乡下躲避瘟疫,成了待业无职的闲杂人等。闲赋在家的牛顿并没有闲着,实际上他也没有办法让自己闲下来,说得好听点叫职业精神,不好听点,我觉得就是强迫症。

  总之,他的大脑就像浩瀚的星空,灵感就像划过天际的流星,在转瞬即逝间,便可将整个星空点燃。1665年5月划过他大脑的那个流星可以称之为“流数术”,即微积分。
  日期:2017-08-12 12:01:35
  微积分,高等数学入门必修科目。一听到这个名字,总是让人想假装四处看风景。实际上,佶屈聱牙并不是微积分的本意,在精神层面上,它很平易近人。试演一二:
  先用微分求速度。什么是速度?顾名思义,描述物体运动快慢的物理量,在测量上,可以先测物体在一段时间(t)内经过过的距离(S),那么速度v=S/t。然而这只是物体在t时间内的平均速度,即时速度该如何表达呢?在微积分之前,没有答案,除非该速度是匀速的或者匀加速的。

  假设有个小车在公路上行驶,根据路况,小车的速度不断的发生变化。如图上图所示,可以测量小车一段时间内的平均速度:v= ∆S/∆t。
  当∆t的长度逐渐减小,直到没有长度时,记∆t→0,同样∆S→0,那么∆S/∆t就是t1(或者t2)点的即时速度。记为:v=ds/dt。这其实就是曲线上某点时刻点斜率,微分可以简单总结为用于描述变化量的的变化快慢。
  那么,反流数(积分)该怎么解释呢?试用积分规则求一个不规则形状的面积——笛卡尔的心里面积,看看传说中的笛卡尔爱公主有多深。
  不规则的图形面积不能直接计算,但是可以用规则图形(长方形)去切割,如图所示,当N=1时,误差很大;当N=8时,误差就小很多了;继续切割,N的数值也越大,到底有多大呢?无穷大,记为N→∞,就能没有误差计算出来不规则图形面积了。只是有个问题,当N→∞时,每个长方形的宽度趋向于0,也就意味着每个长方形的面积趋向于0,简单可以总结为:点没有长度,但是有长度的线却看出是点组成的;线没有面积,但是有面积的面却可以看出是线组成的;面没有体积,但是有体积的体却可以看出是面组成的。一个不多,十个就不少了。不过N不能以某个具体数字衡量,它会大,到底有多大?我只能说很大很大,就像没有人能说清爱到底有深一样。

  看官,也许你会问:这合规矩么?物理学又不是政治,即便他强如牛顿也不能说行就行,不行也行。比如咱们学习除法时第一要义便是除数不能为0,然而微分中∆t→0,∆S同样也会趋于0,难道0÷0还有意义么?同样,积分中,无论怎么切割,永远都是一种近似,而不能取而代之的。
  对于一些基本的自然现象或者算术问题,如果我们能对此产生质疑,那么请相信古希腊肯定也会有同样的疑问。他们称上面的∆t为无穷小量,称N为无穷大量(1/N为无穷小量)。这两种变量引发了上千年的讨论,其中就包括创始人阿基米德和后来的开普勒、伽利略和笛卡尔等等。
  引入一个个古希腊很有名也很有趣的悖论:阿喀琉斯追乌龟。

  阿喀琉斯是古希腊神话中人物,著名的特洛伊战争闻名,他以善跑著称。公元前5世纪,古希腊哲学家芝诺(Zeno,公元前490年—公元前425年)提出阿喀琉斯和乌龟赛跑的问题。
  乌龟在前1000米,阿喀琉斯在后,速度是乌龟的10倍。显而易见,如果阿喀琉斯不在路旁边睡觉的话,他将在1000/9这个时间点赶上乌龟。然而芝诺认为阿喀琉斯永远也赶不上乌龟,如果这样计算的话:
  第一次计算:当阿喀琉斯跑了1000米后,乌龟向前跑了100米,乌龟在前;
  第二次计算:当阿喀琉斯100米后,乌龟向前跑了10米,乌龟还在前;
  第三次计算:当阿喀琉斯10米后,乌龟向前跑了1米,乌龟还在前;
  第四次计算:当阿喀琉斯1米后,乌龟向前跑了1/10米,乌龟还在前;
  ......

  第N次计算:当阿喀琉斯跑到乌龟上次(N-1次)计算时的距离时,乌龟又向前跑了一点距离。由于N可以无限的计算下去,所以阿喀琉斯是永远也赶不上乌龟。
  这个悖论其哲学意义远大于物理意义,演变到数学方法上,即连续的量可否用离散的切割方式计算?牛顿在总结前人的基础之上,认为可以并采取了这样的方案,从而发明了微积分(流数术)。极限的概念也呼之欲出,比如无穷小量∆t,可以看出极限是0,但是比0大,却永远小于任何给定的数值,也就不存在所谓的0÷0了。如果牛顿的命题成立,那么阿喀琉斯追乌龟的问题就迎刃而解了:芝诺给的阿喀琉斯追的时间表面上看是“永远”,而实际上,这个“永远”根本就没多远,只是以1000/9这个时间点为极限的障眼法而已。

  在后来牛顿成名之后,关于极限的问题一直受到当时很有名望的人(比如红衣大主教等)的指责和猜疑,到了1851年左右,德国著名的数学家魏尔斯特拉斯(Weierstrass,1815—1897)终于给出了极限的数学定义,微积分也从怀疑走向了严格表达的一门数学方法。
  微积分在科学史上有着不可替代作用,而牛顿在数学方面的成就远不止这些。他还发明了二项式定理、插值法、概率论等等。如果将这些作为单选项,只要其中一项便足以让其青史留名(假设有人要为人类历史上的数学家排座次,如果前三名中没有牛顿,那也是不科学的)。

  大约在1665年的后的20年内,德国人莱布尼茨(Leibniz,1646-1716)也声称发明了微积分,并使用“dx”和“∫”符号,但是牛顿坚持认为自己是微积分的独家发明人,且宣称莱布尼茨是剽窃了他的成果,只是换了套衣服而已。大家众说纷纭,莫衷一是,究其原因始于莱布尼茨在发明微积分之前,曾经到英国访问过,并看到当时已经成名的牛顿的一些手稿,不过手稿中包含微积分与否现在也成了无头公案。总之,牛顿发明微积分是无可争议的,而莱布尼茨是第一个发表微积分的,按照现在的游戏规则,发明权当属莱布尼茨无疑。此外,即便莱布尼茨只是“剽窃”,也不能忽略他对微积分的贡献。
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