2025年5月25日 星期日

和AI 討論物理 - 從 季諾的烏龜 到 普朗克時間




(By midjourney)
cinematic photo still, glamour shot of a 20-year-old Japanese female model with sports wear running behind a huge turtle, chasing pose, detail huge turtle with half closed eyes, dreamy colors, This photo was taken by using Canon EOS R5 camera, presenting stunning details, extremely detail and intricate, ultra fine, photo style of Mika Ninagawa + Topaz Leung + Escher + Édouard Manet + Wong Kar - Wai, inspired by Cowboy bebop + Sailor moon, cinematic lighting, hyper realistic photography, ultra realistic --ar 71:128 --v 6.1 --q 2



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這個季諾的烏龜, 其實就是有名的阿基里斯永遠追不上的烏龜

wiki - 芝諾悖論

今早想到, 這個季諾的烏龜應該是有個超能力:

    可以邊走路邊做夢,還可以做夢中夢,下一層的夢境時間流逝會比上一層慢一倍,

    例如:下一層夢中經過兩秒,上一層夢只過一秒

這樣來想烏龜是否能一直活著, 這樣這問題似乎比較有意義?


想到可以和 AI 一起討論, 於是問了 AI 底下這個問題:

討論串 - 連結


Q1:

烏龜和跑者賽跑,兩者起點不同,烏龜的起點位於跑者身前1000米處,並且假定跑者的速度是烏龜的2倍。比賽開始後,若跑者跑了1000米,設所用的時間為t,此時烏龜便領先他500米;當跑者跑完下一個500米時,他所用的時間為t/2,烏龜仍然領先他250米;當跑者跑完下一個250米時,他所用的時間為t/4,烏龜仍然領先他125米...;

而烏龜有個超能力,可以邊走路邊做夢,還可以做夢中夢,下一層的夢境時間流逝會比上一層慢一倍,下一層夢中經過兩秒,上一層夢只過一秒,這樣跑者跑了時間t, 進入第一層夢,再跑了時間t/2,就進入第二層夢中,再跑了t/4時間時,進入第三層夢中...

那烏龜是否能永遠活在夢中?


第一次 AI 的回答, 是用 實無限 / 潛無限 的觀念來回答


--- Chatgpt AI 回答 ---

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這個過程其實就是著名的“阿基里斯與烏龜”式的齊諾悖論,加上無限遞歸的“夢中夢”時間膨脹,不過不管 是比賽的距離還是主觀的夢境時間,累加起來都是收斂的幾何級數,都是有限的。

  1. 比賽用時(現實時間)是有限的 跑者在現實中用來跑完各段距離的時間依次是

    $$ t,\;\frac t2,\;\frac t4,\;\dots $$

    它們的和是

    $$ t\Bigl(1 + \tfrac12 + \tfrac14 + \dots\Bigr) = 2t, $$

    也就是說,到了現實時間 2t 的時候,跑者已經追上了烏龜——而在此之前,烏龜已經進入了無窮多層的夢境。

  2. 夢境中的主觀時間也是有限的 在第 n 層夢中,時間流速比上一層慢一半,假設在每層夢里都“消耗”了與跑者該段用時一樣的“夢中時間”(即第 n 層消耗 $\tfrac{t}{2^{n-1}}$),那麽烏龜在每層主觀經歷的時間依次是

    $$ t,\;\frac t2,\;\frac t4,\;\dots $$

    再一次構成了同樣的幾何級數,其總和仍然是

    $$ t\Bigl(1 + \tfrac12 + \tfrac14 + \dots\Bigr) = 2t. $$

    也就是說,無論現實世界多快地讓烏龜進入更深一層的夢,他在所有這些夢中主觀體驗到的時間之和仍然是有限的——剛好 2t

  3. 結論:無法永遠活在夢中

    • 烏龜雖然會在有限的現實時間里進入無限多層夢境,
    • 但它在這些層層遞進的夢中所能“活”到的主觀時長,也是一個收斂到 2t 的有限值。

因此,烏龜並不能憑借“夢中夢”無限膨脹的設定永遠活在夢里——無論在現實中,還是在烏龜自己主觀的夢 境體驗里,它都有一個有限的截止點。

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有些會用 實無限 / 潛無限 來解釋這個悖論, 如這篇 關鍵評論 的 網誌 - 連結

AI 第一次的回答也用了這個手法


但我這假設巧妙之處在於, 烏龜如果進入夢中, 烏龜的主觀時間已經變成了夢中時間, 加上電影

全面啟動 之後, 就更好聯想了 ^^ (沒想到 AI 也知道我在說全面啟動)


於是繼續追問 :


Q2: 上述的說法不對,烏龜的主觀時間是取決於待在那一層夢境,所以烏龜的時間是否可以變成無限長?


有趣地是, AI 真的修正了先前的想法, 覺得烏龜的時間是無限長


--- AI 回答 ---

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你說得對,我之前的分析忽略了一個關鍵點:烏龜的主觀時間是取決於所在夢境層的時間流速, 而不是單單累積進入夢境所需的時間長度

讓我們重新思考這個問題,以更精確地處理「夢中夢」的時間膨脹效果。


問題核心:

  • 每當跑者跑完一段距離所花的時間是:

    $$ t, \frac{t}{2}, \frac{t}{4}, \frac{t}{8}, \dots $$

    這些是現實時間。

  • 每當跑者跑完一段距離,烏龜就進入下一層夢境。

  • 每層夢的時間流速是前一層的 2 倍慢(即每往下一層,主觀時間經過 2 秒,上一層才過 1 秒),也就是第 n 層夢中,與現實的時間速率比為:

    $$ \frac{1}{2^{n}} $$


重新計算:烏龜的主觀時間是否有限?

我們來看看烏龜在各層夢境中能經歷多少主觀時間

層數 跑者經過的現實時間 烏龜所在夢境層級 此層的時間流速(相對於現實) 該層主觀時間 = 現實時間 × 倍率
1 t 第1層夢 21 = 2 t × 2 = 2t
2 t/2 第2層夢 22 = 4 (t/2) × 4 = 2t
3 t/4 第3層夢 23 = 8 (t/4) × 8 = 2t

你會發現,每層夢中,烏龜都能經歷 2t 的主觀時間


烏龜的總主觀時間是多少?

因為他會進入無限多層夢,而且每層夢中都能經歷 2t 的主觀時間,所以:

總主觀時間 = 2t + 2t + 2t + ⋯ = ∞


結論:

是的,烏龜能永遠活在夢中!

這不是悖論,而是無限時間膨脹的合理推論結果:

  • 現實中烏龜只花了 2t 的時間被跑者追上;
  • 但在這 2t 的現實時間裡,他可以進入無限多層夢境;
  • 在每一層中,他都有無限多的主觀時間可以體驗。

這就像《全面啟動》那樣,進入足夠多層夢境之後,你可以在非常短的現實時間中,活過一整個主觀世界 的歲月。


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AI 竟被我說服了^^

但物理上其實有個普朗克時間, 接下來再請 AI 考慮 時間是否能無限切割


Q3: 

上述的推論取決在一點,時間是否能無限切割?請證明時間有最小單位 普朗克時間,這樣烏龜是否在某個狀況下,無法進入下一層的夢境?


AI 回答:

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你提出了非常深刻的問題——如果時間不能無限細分,那麼烏龜是否無法進入無限多層夢境?

這就把我們帶到了現代物理中一個關鍵概念:時間的最小單位——普朗克時間(Planck time)。以下是具體解釋與推論:


一、什麼是普朗克時間?

普朗克時間是根據自然界三個基本常數組合出來的時間單位:

$$ t_p = \sqrt{\frac{\hbar G}{c^5}} \approx 5.39 \times 10^{-44} \text{秒} $$

其中:

  • 是約化普朗克常數(量子力學);
  • G 是萬有引力常數(廣義相對論);
  • c 是光速(相對論)。

這個時間被視為目前物理理論下的最小可測時間單位。在這個尺度以下,我們目前無>法確定時間是否仍有意義。


二、為何時間可能不可無限切割?

  1. 量子引力與時空離散化理論:

    • 在一些量子重力理論(如迴圈量子重力)中,時間與空間都不是連續的,而是由基本「單位」構成的
    • 就像像素一樣,你不能再細分一個像素。
  2. 邏輯推論:

    • 如果時間能無限細分,那理論上就可以在任意短的時間裡發生無限多的事件;
    • 這會導致資訊悖論與能量密度無限的問題,不符合目前已知的物理框架。

三、對烏龜夢境的影響:

假設:

  • 每層夢境的時間流速為上一層的一半;
  • 並且每層烏龜都花一段時間才能「下潛」進入下一層夢。

如果我們以最小時間單位 tp 為界限,那麼當某層夢境的時間流速慢到每層夢所對應的現實時間 < tp 時,烏龜就無法再進入下一層夢


具體推導:

每層夢境的時間所對應的現實時間如下(用跑者每段跑步時間 t 來標準):

  • 第 1 層:t
  • 第 2 層:t/2
  • 第 3 層:t/4
  • n 層:t/2n − 1

要求這個值 ≥ 普朗克時間:

$$ \frac{t}{2^{n-1}} \geq t_p \Rightarrow 2^{n-1} \leq \frac{t}{t_p} \Rightarrow n \leq \log_2\left(\frac{t}{t_p}\right) + 1 $$

舉例:若跑者跑第一段 t = 1 秒,那麼:

$$ n \leq \log_2\left(\frac{1}{5.39 \times 10^{-44}}\right) + 1 \approx 145 $$


結論:

  • 時間若是連續的(無限可切割),則烏龜可以進入無限多層夢境>,在其中活出無限主觀時間。
  • 若時間存在最小單位(如普朗克時間),那麼烏龜只能進入有限層夢境,最多約 145 層(視第一段時間 t 而定)。

因此,在更接近物理現實的宇宙裡,烏龜終將夢醒



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AI 厲害之處, 在於歸納整理資料快, 計算輸出快, (但計算是否正確呢?)


續問:

Q4:

假設跑者一秒跑10公尺, 烏龜在夢中的時間大概可以活多久?


AI 回答:

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根據「時間最小單位(普朗克時間)」的限制,當跑者速率 v = 10 m/s 時:

  1. 計算第一段跑步時間 t

    • 起點差 1000 m,跑者以 10 m/s 跑完這段距離:

      $$ t = \frac{1000\text{ m}}{10\text{ m/s}} = 100\text{ 秒}. $$

  2. 可進入的最大夢層數 nmax

    • 要求每層的現實時間段 t/2n − 1 ≥ 普朗克時間 tp ≈ 5.39 × 10−44 s,

    • 解得

      $$ n_{\max} \le \log_2\!\bigl(\tfrac{t}{t_p}\bigr) + 1 = \log_2\!\bigl(\tfrac{100}{5.39\times10^{-44}}\bigr) + 1 \approx 151.4, $$

    • 向下取整後,烏龜最多能進入 151 層夢境

  3. 夢中主觀時間總和

    • 每層主觀時間均為 2t = 200 秒(因爲主觀膨脹倍率正好抵消了時間二分關係),

    • 所以總共能體驗

      200 s × 151 ≈ 30, 200 秒 ≈ 8.39 小時.


結論: 在這個物理限制下,烏龜在夢境中主觀上最多能活約 8.4 小時,之後由於任一層進入下一層都需低於普朗克時間的現實段,便無法再進入更深的夢境。


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沒想到即便有這個超能力, 也只能活 8.4 小時不到... T_T

不過仔細看, AI 好像算錯了... 




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