物理学四大神兽都有谁?

物理学四大神兽:芝诺的乌龟、拉普拉斯妖、麦克斯韦妖、薛定谔的猫。 他们分别对应:微积分、经典力学、热力学第二定律、量子力学。 四大神兽的能力: 1.芝诺的乌龟:缩地成寸。 2.拉普拉斯兽:善推演,能知万物。 3.麦克斯韦妖:逆转时空。 4.薛定谔的猫:超越生死。  
  • 芝诺的乌龟
先从最“高寿”的芝诺的龟说起。芝诺是两千多年前希腊爱利亚学派的一个代表人物,可以说是第一个提出悖论的人。 他提出的乌龟悖论是:一位勇士阿喀琉斯与乌龟赛跑,他的速度为乌龟10倍,乌龟在前面100米跑,他在后面追,但他不可能追上乌龟。

如果采用数学的方法,阿喀琉斯不仅能追上乌龟,而且早就甩它几条街了;但是用物理的思想,却永远没有办法证明勇士追上了乌龟。 因为在竞赛中,追者首先必须到达被追者的出发点,当阿喀琉斯追到100米时,乌龟已经又向前爬了10米,于是,一个新的起点产生了;阿喀琉斯必须继续追,而当他追到乌龟爬的这10米时,乌龟又已经向前爬了1米,阿喀琉斯只能再追向那个1米。就这样,乌龟会制造出无穷个起点,它总能在起点与自己之间制造出一个距离,不管这个距离有多小,但只要乌龟不停地奋力向前爬,阿喀琉斯就永远也追不上乌龟!

这个悖论曾经困扰了整个科学界上千年的时间,这也导致了第二次的数学危机,直到近代微积分的出现,人类才具备了解构此问题的能力,相对完善的回答了此问题。

  • 拉普拉斯兽
在芝诺的龟慢吞吞地爬行了2000年以后,拉普拉斯兽降世了。 1814年,法国数学家拉普拉斯提出一种科学假设: 世界上有一个神兽,它知道宇宙中每个原子确切的位置和动量,那么就能够使用牛顿定律来展现宇宙事件的整个过程,过去以及未来。 而这个的超凡的“神兽”就是拉普拉斯兽,于是乎宇宙万物的运转以及未来尽在这个未卜先知的“上帝”的掌握中。

拉普拉斯兽的设想建立在牛顿经典物理学上,一度认为是坚不可摧的,然而在100多年后,这头拉普拉斯兽就被开尔文和海森堡用量子力学给打败了。 量子物理学奠基人之一的海森堡,提出了测不准原理:你不可能同时知道一个粒子的位置和速度,既然已经测不准了,推测未来就无从谈起。 而量子物理学中“有果不一定有因”,对经典物理学中因果学说进一步进行了动摇。随着量子物理学蓬勃发展,其后的各种理论以及实验中所观测到的现象,都与拉普拉斯兽不相容。 而混沌理论的诞生,再次完美地驳斥了拉普拉斯鬼的存在,最终拉普拉斯兽被驯服。

然后是麦克斯韦妖。 1871年,英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦针对热力学提出的一个假想实验。

那是一个永动机频出的时代,一群人热衷于永动机的幻想。当“能量守恒定理”显示之后,人们发现第一类永动机是无法被制造出来了,于是瞄准了“第二类永动机”,即热与功之间的转换。 后来第二热力学定律出现了,人们发现了熵递增的原理。第二类永动机也不攻自破,真正意义上断绝了永动机的幻想。 麦克斯韦妖就是针对热力学第二定律,即熵增定律提出的。麦克斯韦作为物理学集大成者,他隐隐感觉到,这个宇宙中可能存在着某种机制,在抵抗着熵的增加。但他无法清晰地说明这种机制,他只能假定为一种“妖”。

这个“小妖”是这样工作的:一个绝热盒子被分成相等的两格,中间是由“小妖”控制的一扇小“门”。他站在门前,盯住了每一个分子,如果是运动快的分子(势能高,即比较热)他就不让这个分子过去,如果是运动比较慢的分子(势能低,即比较冷)他就放它过去。 久而久之,原本温度平衡的箱子,就出现了一半热一半冷的现象。这个是与热力学第二定律相悖的,根据熵增定理,上诉过程相反一下才是正确的。 这只妖的出现,与拉普拉斯兽让人绝望不同,他是整个宇宙的救星!

因为热力学第二定律告诉我们,宇宙的熵一直在增加,最后,整个宇宙都会归于一片寂静。也就是说,不管人类科技发展到哪一步,所有的结局注定都是毁灭。 但这头妖的出现,让人们意识到,用最低限度减少过程中的能量消耗,从而达到不损耗能量也能够获取信息。这意味着宇宙或许还有救。而且倘若真的存在,第二类永动机没准真的能实现。 但现在物理学已经证明,小妖控制“门”的耗散过程中依然需要消耗能量,但并不是在放分子的过程,而是在判断分子快慢的过程中。 也就是说,信息依然也是有能量的!是负熵!这代表着麦克斯韦妖依然没有违背物理学第二定律。

  • 薛定谔的猫
最后一个“薛定谔的猫”离我们最近,1935年,奥地利物理学家薛定谔针对量子力学的边界问题,提出了著名的思想实验: 在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,猫到底是死是活必须在盒子打开后,外部观测者才能知道里面的结果,而在盒子尚未被打开时,这只神奇的猫则处于“既生又死”、生死叠加的状态中。 薛定谔的猫本身是一个假设的概念,随着技术的发展,人们在光子、原子、分子中实现了薛定谔猫态,甚至已经开始尝试用病毒来制备薛定谔猫态,如刘慈欣《球状闪电》中变成量子态的人,人们已经越来越接近实现生命体的薛定谔的猫了。

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