物理学四大神兽,除了“薛定谔的猫”还有谁?

作者: 李海芯

来源: 量子学派

发布日期: 2019-04-03 10:21:54

本文介绍了物理学四大神兽:芝诺的乌龟、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖、薛定谔的猫,分别对应微积分、经典力学、热力学第二定律和量子力学。这些神兽在物理学发展中扮演了重要角色,既是科学家的挑战,也推动了科学理论的发展。

在科学这座圣殿里,没有蛮横的神兽,只有驯服的宠物。

神兽出没的物理界

物理学上有四大神兽,芝诺的乌龟、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖、薛定谔的猫,分别对应着微积分、经典力学、热力学第二定律和量子力学。这四大神兽并不弱于传说中的青龙白虎朱雀玄武,芝诺的乌龟时空双修能缩地成寸,拉普拉斯兽明察大道推演万物,麦克斯韦妖操控万物逆转阴阳,薛定谔的猫能制造宇宙超越生死。它们亦正亦邪,既给聪明的科学家带来困扰,也给企图进化成神的人类指明了道路。

No.1 芝诺的乌龟

出生日期:公元前464年

主人:芝诺

门派:先贤哲学

能力:缩地成寸公元前464年,物理帝国的世纪运动竞技开幕,芝诺之龟与海神之子阿喀琉斯赛跑。阿喀琉斯体格健壮,肌肉饱满,四肢遒劲有力。芝诺之龟短小精悍,豆眼如炬,龟甲结实笨重。芝诺之龟以身体劣势为由,申请提前奔跑100米。阿喀琉斯深知自己的速度乃是芝诺之龟的十倍,便毫不犹豫地答应了。比赛开始。

当阿喀琉斯追到100米时,乌龟已经向前爬了10米;阿喀琉斯继续追,而当他追完乌龟爬的10米时,乌龟又已经向前爬了1米;阿喀琉斯只能再追向前面的1米,可乌龟又已经向前爬了1/10米;就这样,芝诺之龟总能与阿喀琉斯保持一个距离,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!

尽管阿喀琉斯是全人类最顶尖的英雄,但最终败在芝诺之龟的四条小短腿之下,芝诺之龟从此暴得大名,无人匹敌。

No.2 拉普拉斯兽

出生日期:1814年

主人:拉普拉斯

门派:经典力学

能力:善推演,能知万物19世纪初,整个物理世界晴空万里,牛顿带来万物光明,匍匐在老爵爷门下的拉普拉斯宣称,当下的客观世界是过去的果和未来的因。这世间存在一种神兽,它神通广大、无所不知。

只要它愿意动动手指和眼睛,记录下某一刻它能知道宇宙中每个原子确切的位置和动量,就能用牛顿的简洁公式,瞬间算出宇宙的过去与未来。这就是大名鼎鼎的谛听神兽拉普拉斯,善推演,能知万物。拉普拉斯的基本理论是:了解物质前一刻的运动状态,就可以推出下一刻的运动状态,把整个宇宙的每一个粒子的运动状态确定以后,就可以推出下一刻的运动状态。

拉普拉斯是经典力学在19世纪最厉害的马前卒,他吸纳毕达哥拉斯“万物皆数”之力,结合天体力学、概率论等思想精华,创造了宏观经典力学的守护神兽拉普拉斯兽。

No.3 麦克斯韦妖

出生日期:1871年

主人:麦克斯韦

门派:热力学

能力:逆转时空早在公元1200年,数以千计的科学家痴迷于永动机不能自拔。到了19世纪,热力学蓬勃发展,各类永动机被一一枪毙。

这时候,让爱因斯坦都崇拜不已的电磁学大牛麦克斯韦创立了物理学史上第三大神兽——麦克斯韦妖。如果这神兽真的存在,或许创立违背热力学第2定律的永动机就不是梦了,走向熵寂的宇宙也有起死回生的可能。麦克斯韦妖(Maxwell's demon),是在麦克斯韦假想的妖,能探测并控制单个分子运动,麦克斯韦意识到自然界存在着与熵增相拮抗的能量控制机制,但无法清晰说明这种机制,只能诙谐假定一种“妖”。

简单描述,一个绝热容器被分成相等的两格,中间是由“妖”控制的一扇小“门”,麦克斯韦妖个头迷你,没啥特别的本事,但眼神好,反应敏捷,能准确地探测并控制单个分子运动,迅速把快速移动的分子从从左盒丢进右盒,把慢速运动的分子从右盒丢进左盒。因此,这个小盒子不仅左右部分形成了温差,还实现熵的自发减少。

No.4 薛定谔之猫

出生日期:1935年

主人:薛定谔

门派:量子力学

能力:超越生死

20世纪,物理帝国妖风四起。一个毫无杀伤力但又难缠的神兽伴随量子力学空降人间,这神兽诞生于史上最风流的物理学家薛定谔的手上,遂名曰薛定谔之猫。相比起前面那三个神通广大的神兽们,薛定谔之猫命运最悲催,它既不能享受吞拿鱼味儿的猫罐头,也没有猫奴给它献殷勤,自始至终,它都活在物理帝国的刑场上,并练就了既死又活的本事。

这个刑场是一个密室,刑具是锤子和毒药瓶,这个锤子由电子开关控制,而电子开关又由放射性原子控制。如果原子核衰变,则放出阿尔法粒子,触动电子开关,猫必死无疑。不过,原子核的衰变是随机事件。尽管人们能精确知道原子核衰变时刻的概率,却无法判断它具体何时衰变。所以,尽管薛定谔之猫必死无疑,人们却无法得知它具体何时死亡。这么说来,打开密室前,这猫要么活着,要么死去。

可事情却没这么简单,因为,这只悲摧的猫被赋予了量子世界的特异功能——量子叠加,在这猫身上,宏观世界的因果律业已坍塌,只剩下一连串的概率波。所以,在被观测之前,这猫都是既死又活、生死叠加。虽然薛定谔创造这只神兽仅是为了方便吃瓜群众们从宏观尺度理解量子物理,但它很快成了大家的噩梦,各类解说和研究纷至沓来。1957年,埃弗莱特用“多世界理论”给这只猫找到了归宿。

他认为,问题并不在于盒子中的放射性原子是否衰变,而在于它既衰变又不衰变。薛定谔之猫是条活生生的生命,在它被观测那一刻,世界分裂成了两个版本,在A版本中,猫活着,而B版本中,猫死去。

结语

科学当道,神兽已矣除了这赫赫有名的四大神兽,物理学上还有很多魑魅魍魉,但无论什么样的神兽,最终都会被大神赛先生收服。芝诺的乌龟基本已经死了,微积分的基础便是建立在它的尸体上。

拉普拉斯兽大约在庞加莱时代就被混沌效应的引入给推翻了,再加上后来的海森堡的临门一脚,拉普拉斯兽已经逃回威斯特敏斯特教堂为爵爷守灵了。麦克斯韦妖将信息论中的信息量定义与热力学中的熵联系了起来,寻求到了自己新的保护门派。薛定谔的猫现在还是不知是死是活,躲在量子力派的屋檐下瑟瑟发抖,但大多数科学家喜欢上了这只宠物。在科学这座庄严的殿堂里,没有蛮横的神兽,只有被驯服的宠物。

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