【學(xué)術(shù)討論】物理學(xué)四大神獸精肃,除了“薛定諤的貓”還有誰(shuí)秤涩?

物理學(xué)上有四大神獸,芝諾的烏龜司抱、拉普拉斯獸筐眷、麥克斯韋妖、薛定諤的貓习柠,分別對(duì)應(yīng)著微積分匀谣、經(jīng)典力學(xué)照棋、熱力學(xué)第二定律和量子力學(xué)。

這四大神獸并不弱于傳說(shuō)中的青龍白虎朱雀玄武武翎,芝諾的烏龜時(shí)空雙修能縮地成寸烈炭,拉普拉斯獸明察大道推演萬(wàn)物,麥克斯韋妖操控萬(wàn)物逆轉(zhuǎn)陰陽(yáng)后频,薛定諤的貓能制造宇宙超越生死梳庆。

它們亦正亦邪,既給聰明的科學(xué)家?guī)?lái)困擾卑惜,也給企圖進(jìn)化成神的人類指明了道路膏执。

【芝諾的烏龜】

出生日期:公元前464

主人:芝諾

門(mén)派:先賢哲學(xué)

能力:縮地成寸

公元前464年,物理帝國(guó)的世紀(jì)運(yùn)動(dòng)競(jìng)技開(kāi)幕露久,芝諾之龜與海神之子阿喀琉斯賽跑更米。

阿喀琉斯體格健壯,肌肉飽滿毫痕,四肢遒勁有力征峦。芝諾之龜短小精悍,豆眼如炬消请,龜甲結(jié)實(shí)笨重栏笆。芝諾之龜以身體劣勢(shì)為由,申請(qǐng)?zhí)崆氨寂?00米臊泰。阿喀琉斯深知自己的速度乃是芝諾之龜?shù)氖厄燃樱愫敛华q豫地答應(yīng)了。

比賽開(kāi)始缸逃。

當(dāng)阿喀琉斯追到100米時(shí)针饥,烏龜已經(jīng)向前爬了10米;

阿喀琉斯繼續(xù)追需频,而當(dāng)他追完烏龜爬的10米時(shí)丁眼,烏龜又已經(jīng)向前爬了1米;

阿喀琉斯只能再追向前面的1米昭殉,可烏龜又已經(jīng)向前爬了1/10米苞七;

就這樣,芝諾之龜總能與阿喀琉斯保持一個(gè)距離饲化,不管這個(gè)距離有多小莽鸭,但只要烏龜不停地奮力向前爬,阿喀琉斯就永遠(yuǎn)也追不上烏龜吃靠!

盡管阿喀琉斯是全人類最頂尖的英雄硫眨,但最終敗在芝諾之龜?shù)乃臈l小短腿之下,芝諾之龜從此暴得大名,無(wú)人匹敵礁阁。

不僅在古希臘巧号,同樣智者云集的東方文明,也對(duì)這只烏龜無(wú)可奈何姥闭,《莊子·天下篇》中提到:“一尺之棰丹鸿,日取其半,萬(wàn)世不竭”棚品,其實(shí)也是這只龜?shù)淖兎N靠欢。

在現(xiàn)實(shí)世界中,這芝諾的烏龜看起來(lái)蠻不講理铜跑,因?yàn)殡S便拉來(lái)一只烏龜门怪,無(wú)論它跑多遠(yuǎn),6歲小兒都能追上踩扁它锅纺。而且掷空,隨便建立一個(gè)簡(jiǎn)單的方程組t=s/(v1-v2)還能求出阿喀琉斯追上芝諾之龜?shù)臅r(shí)間。

可物理帝國(guó)不一樣囤锉,萬(wàn)事萬(wàn)物需要嚴(yán)密地邏輯推理和證明才能存在坦弟。所以,即使我們輕而易舉地求出阿喀琉斯追上烏龜所花的時(shí)間官地,甚至惱羞成怒地踩死它酿傍,也仍不能證明他為何能追上。

要想滅了它驱入,必須把極限問(wèn)題解決了拧粪。可是從畢達(dá)哥拉斯到歐拉的數(shù)學(xué)大神們沧侥,無(wú)一人能破解極限問(wèn)題。因此魄鸦,這毫無(wú)道理的芝諾之龜宴杀,以神獸姿態(tài)定居物理帝國(guó)2000年。

整整兩千年后拾因,數(shù)學(xué)巨匠萊布尼茨與科學(xué)巨匠牛頓隔空修煉“微積分”旺罢,用微積分中的“極限”法門(mén)攻破了時(shí)空連續(xù)性。這讓大英雄阿喀琉斯終于在物理帝國(guó)的競(jìng)技場(chǎng)里绢记,追上芝諾之龜扁达。然而人類對(duì)這只千年老烏龜依然耿耿于懷,從哲學(xué)到前沿物理學(xué)蠢熄,人們還常常拿它吵架跪解。

【拉普拉斯獸】

出生日期:1814年

主人:拉普拉斯

門(mén)派:經(jīng)典力學(xué)

能力:善推演,能知萬(wàn)物

19世紀(jì)初签孔,整個(gè)物理世界晴空萬(wàn)里叉讥,牛頓帶來(lái)萬(wàn)物光明窘行,匍匐在老爵爺門(mén)下的拉普拉斯宣稱,當(dāng)下的客觀世界是過(guò)去的果和未來(lái)的因图仓。這世間存在一種神獸罐盔,它神通廣大、無(wú)所不知救崔。只要它愿意動(dòng)動(dòng)手指和眼睛惶看,記錄下某一刻它能知道宇宙中每個(gè)原子確切的位置和動(dòng)量,就能用牛頓的簡(jiǎn)潔公式六孵,瞬間算出宇宙的過(guò)去與未來(lái)纬黎。

這就是大名鼎鼎的諦聽(tīng)神獸拉普拉斯,善推演狸臣,能知萬(wàn)物莹桅。

拉普拉斯的基本理論是:了解物質(zhì)前一刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),就可以推出下一刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)烛亦,把整個(gè)宇宙的每一個(gè)粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)確定以后诈泼,就可以推出下一刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

拉普拉斯是經(jīng)典力學(xué)在19世紀(jì)最厲害的馬前卒煤禽,他吸納畢達(dá)哥拉斯“萬(wàn)物皆數(shù)”之力铐达,結(jié)合天體力學(xué)、概率論等思想精華檬果,創(chuàng)造了宏觀經(jīng)典力學(xué)的守護(hù)神獸拉普拉斯獸瓮孙。

沉睡在威斯敏斯特大教堂里的祖師爺牛頓高興得合不攏嘴。因?yàn)檠〖梗@說(shuō)明自己親手建立的經(jīng)典物理學(xué)帝國(guó)堅(jiān)不可摧杭抠,無(wú)所不能。

可大部分的人類卻沒(méi)有這么高興恳啥,如果人類的所有命運(yùn)都已經(jīng)被拉普拉斯妖算得清清楚楚偏灿,那我們還有什么活頭?必須得早點(diǎn)弄死它才行钝的。

不出一百年翁垂,熱力學(xué)和量子力學(xué)等新理論對(duì)其萬(wàn)箭齊發(fā),以物理學(xué)家開(kāi)爾文以及量子力學(xué)的海森堡開(kāi)始聯(lián)手圍剿硝桩,這只無(wú)所不能的拉普拉斯妖最終一命嗚呼沿猜,和前面那只千年老烏龜相比,可以算是夭折在了襁褓里碗脊。

19世紀(jì)啼肩,建立在不可逆基礎(chǔ)上的熱力學(xué)大行其道,這讓以可逆性作為基石的拉普拉斯妖元?dú)獯髠?0世紀(jì),困擾人類長(zhǎng)達(dá)百年的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)成功證明因果律在微觀世界徹底失效疟游,而海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理也說(shuō)明再厲害的神獸也無(wú)法看清微觀世界的全部面貌呼畸。

更悲傷的是,即使拉普拉斯妖已經(jīng)徹底死掉颁虐,不厚道的人類也不愿給這個(gè)短命的神獸留下最后的尊嚴(yán)蛮原。

因?yàn)椋捎钪孀畲箪亓砑ā⒐馑偃逶伞⒁约皩⑿畔魉屯ㄟ^(guò)一個(gè)普朗克長(zhǎng)度所需要的時(shí)間計(jì)算得來(lái),拉普拉斯妖的算力上限已被證實(shí)約為10^120比特笋籽,如此以來(lái)蹦漠,那驚人的算力也不可能在物理帝國(guó)存在。

【麥克斯韋妖】

出生日期:1871年

主人:麥克斯韋

門(mén)派:熱力學(xué)

能力:逆轉(zhuǎn)時(shí)空

早在公元1200年车海,數(shù)以千計(jì)的科學(xué)家癡迷于永動(dòng)機(jī)不能自拔笛园。到了19世紀(jì),熱力學(xué)蓬勃發(fā)展侍芝,各類永動(dòng)機(jī)被一一槍斃研铆。這時(shí)候,讓愛(ài)因斯坦都崇拜不已的電磁學(xué)大牛麥克斯韋創(chuàng)立了物理學(xué)史上第三大神獸——麥克斯韋妖州叠。如果這神獸真的存在棵红,或許創(chuàng)立違背熱力學(xué)第2定律的永動(dòng)機(jī)就不是夢(mèng)了,走向熵寂的宇宙也有起死回生的可能咧栗。

麥克斯韋妖(Maxwell's demon)逆甜,是在麥克斯韋假想的妖,能探測(cè)并控制單個(gè)分子運(yùn)動(dòng)致板,麥克斯韋意識(shí)到自然界存在著與熵增相拮抗的能量控制機(jī)制交煞,但無(wú)法清晰說(shuō)明這種機(jī)制,只能詼諧假定一種“妖”斟或。

簡(jiǎn)單描述错敢,一個(gè)絕熱容器被分成相等的兩格,中間是由“妖”控制的一扇小“門(mén)”缕粹,麥克斯韋妖個(gè)頭迷你,沒(méi)啥特別的本事纸淮,但眼神好平斩,反應(yīng)敏捷,能準(zhǔn)確地探測(cè)并控制單個(gè)分子運(yùn)動(dòng)咽块,迅速把快速移動(dòng)的分子從從左盒丟進(jìn)右盒绘面,把慢速運(yùn)動(dòng)的分子從右盒丟進(jìn)左盒。因此,這個(gè)小盒子不僅左右部分形成了溫差揭璃,還實(shí)現(xiàn)熵的自發(fā)減少晚凿。

乍一看來(lái),麥克斯韋妖擊敗熱力學(xué)第2定理不在話下瘦馍,同時(shí)也讓烜赫一時(shí)的“熱寂說(shuō)”也多了一個(gè)反對(duì)勢(shì)力歼秽。麥克斯韋妖的物理學(xué)意義是讓混亂變得有序,避免封閉系統(tǒng)變成一潭死水情组。擴(kuò)展到現(xiàn)實(shí)世界燥筷,那此神獸能就能操控萬(wàn)物,逆轉(zhuǎn)陰陽(yáng)院崇。

盡管人們希望這帶領(lǐng)宇宙違背熱力學(xué)第2定律的麥?zhǔn)闲⊙娴拇嬖谒撩ィ诩o(jì)律森嚴(yán)的物理帝國(guó),心地單純的麥?zhǔn)闲⊙瑯用径噔兜装辏_科學(xué)家150余年谢揪,迄今仍不知是死是活。

20世紀(jì)50年代捐凭,信息熵的概念被提出拨扶。麥克斯韋妖若要實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)上的熵減,勢(shì)必需要獲取分子運(yùn)動(dòng)的信息柑营,不耗損能量而獲得信息是不可能的屈雄,因此,在孤立系統(tǒng)中麥克斯韋妖不可能存在官套。

歸根結(jié)底酒奶,這個(gè)兢兢業(yè)業(yè)的小妖精可能只是人類想象中的救世主,不可能在時(shí)空中存在奶赔。

不過(guò)惋嚎,信息論在熱力學(xué)這兒插了一腳后,麥克斯韋妖的存亡之戰(zhàn)愈加精彩站刑。進(jìn)入21世紀(jì)另伍,學(xué)界癡迷于研究熵減過(guò)程,麥克斯韋妖再現(xiàn)蹤跡绞旅。2007年2月發(fā)現(xiàn)一種人造麥克斯韋妖摆尝,通過(guò)“信息擒縱閥”使系統(tǒng)逐漸遠(yuǎn)離平衡態(tài),不過(guò)因悲,這個(gè)人造麥克斯韋妖仍需要光作為能量源堕汞。

麥克斯韋妖是科學(xué)家眼中真正的救世主,如果它真的存在晃琳,那老人可以華發(fā)變成黑發(fā)讯检,宇宙能從熵寂走向重生琐鲁。從此,覆水可收人灼,破鏡重圓围段。

【薛定諤之貓】

出生日期:1935年

主人:薛定諤

門(mén)派:量子力學(xué)

能力:超越生死

20世紀(jì),物理帝國(guó)妖風(fēng)四起投放。一個(gè)毫無(wú)殺傷力但又難纏的神獸伴隨量子力學(xué)空降人間奈泪,這神獸誕生于史上最風(fēng)流的物理學(xué)家薛定諤的手上,遂名曰薛定諤之貓跪呈。

相比起前面那三個(gè)神通廣大的神獸們段磨,薛定諤之貓命運(yùn)最悲催,它既不能享受吞拿魚(yú)味兒的貓罐頭耗绿,也沒(méi)有貓奴給它獻(xiàn)殷勤苹支,自始至終,它都活在物理帝國(guó)的刑場(chǎng)上误阻,并練就了既死又活的本事债蜜。

這個(gè)刑場(chǎng)是一個(gè)密室,刑具是錘子和毒藥瓶,這個(gè)錘子由電子開(kāi)關(guān)控制,而電子開(kāi)關(guān)又由放射性原子控制竭缝。如果原子核衰變,則放出阿爾法粒子狼速,觸動(dòng)電子開(kāi)關(guān),貓必死無(wú)疑卦停。不過(guò)向胡,原子核的衰變是隨機(jī)事件。盡管人們能精確知道原子核衰變時(shí)刻的概率惊完,卻無(wú)法判斷它具體何時(shí)衰變僵芹。

所以,盡管薛定諤之貓必死無(wú)疑小槐,人們卻無(wú)法得知它具體何時(shí)死亡拇派。這么說(shuō)來(lái),打開(kāi)密室前凿跳,這貓要么活著件豌,要么死去。

可事情卻沒(méi)這么簡(jiǎn)單控嗜,因?yàn)榧胪@只悲摧的貓被賦予了量子世界的特異功能——量子疊加,在這貓身上躬审,宏觀世界的因果律業(yè)已坍塌棘街,只剩下一連串的概率波。所以承边,在被觀測(cè)之前遭殉,這貓都是既死又活、生死疊加博助。

雖然薛定諤創(chuàng)造這只神獸僅是為了方便吃瓜群眾們從宏觀尺度理解量子物理险污,但它很快成了大家的噩夢(mèng),各類解說(shuō)和研究紛至沓來(lái)富岳。

1957年蛔糯,埃弗萊特用“多世界理論”給這只貓找到了歸宿。他認(rèn)為窖式,問(wèn)題并不在于盒子中的放射性原子是否衰變蚁飒,而在于它既衰變又不衰變。薛定諤之貓是條活生生的生命萝喘,在它被觀測(cè)那一刻淮逻,世界分裂成了兩個(gè)版本,在A版本中阁簸,貓活著爬早,而B(niǎo)版本中,貓死去启妹。

盡管“多世界理論”非常優(yōu)美筛严,卻被哥本哈根派這個(gè)量子力學(xué)頭號(hào)教派極力打壓,遂鮮為人知饶米。所以這只可憐的貓咪桨啃,依舊游蕩在人界、地獄之間的灰色空間咙崎。

盡管從未見(jiàn)過(guò)行走于生死邊界的貓优幸,但實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家卻異口同聲地證實(shí)他們見(jiàn)過(guò)薛定諤之貓的幽靈,你想象不出它活著的樣子褪猛,但它卻實(shí)際存在网杆。有了微觀世界的真實(shí)發(fā)現(xiàn),又有團(tuán)隊(duì)謀劃著把薛定諤之貓徹底帶到宏觀世界伊滋,挑戰(zhàn)量子世界的邊界碳却。

可迄今為止,量子理論盡管取得了偉大成就笑旺,但它仍然是物理帝國(guó)的一團(tuán)烏云昼浦。也許,只有這兩個(gè)世界真正攜手的那一天筒主,薛定諤之貓才能好好地安睡于天堂关噪。

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