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考槃笔记-29-伽利略铁球绳子上的鬼 精选

已有 7700 次阅读 2008-10-14 12:01 |个人分类:天问|系统分类:科普集锦| 推理, 逻辑, 天问

我看过一个故事,说是伽利略没有在斜塔上落铁球,他只用了一个逻辑推理就推翻了大铁球先落地的结论。假定质量大的铁球比质量小的先落地,那么,如果用一根绳子把大小两个铁球连起来,那么这个合体的更大的铁球应该比原来的那个大铁球质量更大,那么这个更大的铁球应该比大铁球落得更快些;但是,又由于合体的铁球中,大的那个比小的那个落得更快,大的应该在下面,小的应该在上面,于是大的拖着小的走,小的在后面拖大的后腿,那么合体的铁球下落的速度应该介于单独的大铁球和小铁球下落速度之间。这两个不同的情况出现了矛盾,于是结论只能是,假定是错误的,不同质量的铁球是同时落地的,见下图:

 



 

一开始对这个推理简直佩服得五体投地,后面发现这个逻辑推理可能有问题。单纯逻辑角度来说,这个推理基本上是无懈可击的,而且更能吻合实验事实,但连接两个铁球的绳子是有问题的。

 

我们知道,铁原子之间的力非常之大,远大于引力之于单独一个铁原子。如果引力大于原子力(或分子力)会出现什么情况?物质将被引力撕扯开,原子(分子)会四散开来,这个时候物质不能再视为没有大小的质点,因为在物质更靠近地球那一端的引力要远大于距地球远端的引力,如图:

 


(此图应为R^2和(R+2r)^2,特此更正,致歉)

在绝大多数时候,我们把铁球视为质点,原因之一就是在地球的物理环境下,引力之于原子(分子)力小得多,我们可以假定铁球上受力处处相等,实际情况是,近地端和远地端受力有一个极小的差异,基本上可以忽略不计。

 

但是,当用绳子把两个分离的铁球连在一起的时候,如果我们要把两个铁球视为一体的话,我们必须要假定绳子是刚性的。绳子上任意两个节点的力和两个铁原子之间的力是相等的,我们才能把两个铁球视为合体。

  



我们当然可以假设绳子是刚性的,但是不会有任何一种绳子既是刚性的又是柔性的,于是,在伽利略的逻辑推理中,绳子在两种不同的情境下扮演了不同的角色,引入了额外的变量,使得整个推理出现瑕疵。

 

可能有人会认为,两种情况下绳子可以是一样的,那么我们看另外一种不引入绳子的推理模式:

  


   

答案当然是无论我们怎么去分,铁球下落的速度都应该是一样的,否则,一个铁球下落的速度就应该有无限多个,因为你可以用无限多种方法去分这个铁球。

 

所以我们看出,要让两个铁球合体为一个质点来考虑,要求绳子必须是特殊的而不是普适的;而后一个实验中实际上是又把铁球看成分离的而不是合体的,绳子是普适的又不是特殊的。在两个推理中,大铁球-绳子-小铁球组成的系统是两个完全不同的系统,把两个完全不同的系统当成完全相同的系统来推出不同的矛盾结论,我认为这是有问题的。

 

亚辉问能不能不实验光逻辑,我觉得是不能的。得出正确结论的逻辑推理不见得是处处合乎逻辑的。更者,逻辑推理不能违反基本的物理定律和物理事实,否则逻辑就是伪逻辑,我们只要创造出一个自洽的逻辑系统,就可以用这个逻辑系统去一了百了般地解释解决所有问题,而这样的系统是可以有无穷多个的。

 

无论科学怎么发展,我都坚持认为没有一个思维方式或者理论体系能够在哪怕是理论上解决所有问题,后面的事都还得再从头理。大一统、大统一应该都不存在。



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