可推演万物逆转时空 活跃在物理殿堂的四大神兽技能逆天

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科学史上流传着非常有名的物理学四大神兽：芝诺的乌龟、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖、薛定谔的猫，分别对应着微积分、经典力学、热力学第二定律和量子力学理论。

这四大神兽的能力并不弱于传说中的青龙白虎朱雀玄武，芝诺的乌龟能缩地成寸，拉普拉斯兽明察大道推演万物，麦克斯韦妖操控万物逆转时空，薛定谔的猫能制造宇宙超越生死。

缩地成寸芝诺龟

芝诺龟的的主人就叫芝诺，这是一只在赛跑中无论什么谁都追不上的乌龟。古希腊数学家芝诺（前490年～前425年），针对运动的不可分性提出过著名的"芝诺悖论"：一只乌龟从起点走到终点，要先走完1/2路程，再走完剩下的1/2路程，继续走完剩下的1/2路程……一直重复下去，永远走不完。

基于此便衍生出了芝诺龟与海神之子阿喀琉斯之间的一场赛跑故事。阿喀琉斯是古希腊神话中善跑的战神，芝诺龟以身体劣势为由，申请提前奔跑100米。阿喀琉斯深知自己的速度是芝诺龟的十倍，便毫不犹豫地答应了。比赛开始，芝诺龟先阿喀琉斯跑100米，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；无论如何芝诺龟都比他快1/10，因此总能与阿喀琉斯保持一个距离，不管这个距离有多小，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！

在现实世界中，阿喀琉斯当然可以跑过芝诺龟，参赛者肯定也终将到达终点。可是在追求证据和准确实践的物理学中却不是如此。万事万物都需要严密地逻辑推理和证明才能存在。

我们可以用无穷数列的求和，或者建立起一个方程组就能算出阿喀琉斯追上芝诺龟所需要的时间，那么为什么说阿喀琉斯永远也追不上乌龟呢？问题出在这里：这里有一个假定，那就是假定阿基里斯最终是追上了乌龟，才求出的那个时间。但是芝诺的悖论的实质在于要求证明为何能追上。即使我们轻而易举地求出阿喀琉斯追上乌龟所花的时间，仍不能证明他为何能追上。要想证明阿喀琉斯追上了芝诺龟，必须把极限问题解决了。当时从毕达哥拉斯到欧拉的数学大神们，无一人能破解极限问题。因此，阿喀琉斯如何超越芝诺龟的问题整整流传了2000多年，直到物理学家牛顿和数学家莱布茨尼创造出微积分后，用微积分中的“极限”攻破了时空连续性，才终于令阿喀琉斯追上芝诺龟。

与“芝诺悖论”类似的理论《庄子·天下篇》中也有提到：“一尺之棰，日取其半，万世不竭。”芝诺与庄子悖论的区别为芝诺悖论中一定时间内行走的距离不变（即速度不变），而庄子的时间不变，这段时间里的工作却越来越少（速度越来越慢），可以看出芝诺限制了时间，而庄子的理论可以使时间为无穷大。

推演先知拉普拉斯兽

大名鼎鼎的谛听神兽拉普拉斯，善推演，能知万物。只要它愿意动动手指和眼睛，记录下某一刻宇宙中每个原子确切的位置和动量，就能算出宇宙的过去与未来。

19世纪初的法国物理学家拉普拉斯是经典力学的坚定拥护者，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。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，就可以推出整个宇宙下一刻的运动状态。拉普拉斯宣称，当下的客观世界是过去的果和未来的因。如果这世间存在一个智者，知道宇宙之初所有粒子的状态，那么他就可以根据牛顿的简单公式，推算出宇宙任何时间的状态。这个智者，就被人们调侃为拉普拉斯兽。

然而不出一百年，热力学和量子力学等新理论开始对普拉斯兽万箭齐发、联手围剿。19世纪，建立在不可逆基础上的热力学大行其道，这让以可逆性作为基石的拉普拉斯妖元气大伤。20世纪，困扰人类长达百年的双缝干涉实验成功证明因果律在微观世界彻底失效，而海森堡的测不准原理也说明再厉害的神兽也无法看清微观世界的全部面貌。测不准原理是说，不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度，粒子位置的不确定性，必然大于或等于普朗克常数除于4π，这表明微观世界的粒子行为与宏观物质很不一样。用海森堡自己的话说：“在因果律的陈述中，‘若确切地知道现在，就能预见未来’，所得出的并不是结论，而是前提。我们不能知道现在的所有细节，是一种原则性的事情。”

逆转时空麦克斯韦妖

早在公元1200年，众多的科学家就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KO。这时候，让爱因斯坦都崇拜不已的电磁学大师麦克斯韦创立了物理学史上第三大神兽——麦克斯韦妖。

麦克斯韦意识到自然界必然有适合于如宇宙这种“开放系统”的与熵增相拮抗的能量控制机制，使得系统在某些条件下，貌似“违反了”热力学第二定律。但当时的麦克斯韦无法清晰说明这种机制，于是便诙谐地设想了一种假想的“小妖”，即麦克斯韦妖。

麦克斯韦妖能用极快的速度探测并控制单个分子运动，用最低限度减少过程中的能量消耗，从而实现不损耗能量也能够获取信息。简单描述就是，一个绝热容器被分成相等的左右两格，中间是由麦克斯韦妖控制的一扇小“门”，麦克斯韦妖探测并控制单个分子运动，迅速把快速移动的分子从左盒丢进右盒，把慢速运动的分子从右盒丢进左盒。如此，这个小盒不仅左右部分形成了温差，还实现了熵的自发减少。可以利用此温差，驱动热机做功。这是第二类永动机的一个范例。

麦克斯韦妖的物理学意义是让混乱变得有序，避免封闭系统变成一潭死水。扩展到现实世界，那此神兽能就能操控万物，逆转时空。

如果这神兽真的存在，或许创立违背热力学第二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。尽管人们直到21世纪也还在研究如何造出麦克斯韦妖，但目前仍无进展。20世纪50年代，信息熵的概念被提出。麦克斯韦妖若要实现热力学上的熵减，势必需要获取分子运动的信息，不耗损能量而获得信息是不可能的，因此证明，在孤立系统中麦克斯韦妖不可能存在。归根结底，这个兢兢业业的小妖可能只是人类想象中的救世主，不可能在真实时空中存在。

超越生死薛定谔的猫

薛定谔的猫是奥地利著名物理学家薛定谔提出的一个思想实验，对科学稍有了解的人大都知道这只神奇的猫。薛定谔的猫假设了这样一种情况：将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，镭的衰变存在几率，放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死和活的叠加状态。

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。这么说来，打开密闭容器前，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，宏观世界的因果已坍塌，只剩下一连串的概率波。薛定谔设计了这个实验来挖苦量子理论荒唐的一面，按照量子论支持者的解释，在打开盒子看猫之前，这只猫非生非死，而是处在典型的量子态，即生死叠加的离奇状态。

这个实验把微观物质在观测后是粒子还是波的存在形式和宏观的猫联系起来，直指量子力学在微观和宏观的过渡边界，把微观的不确定性带到了宏观世界。

容器中的猫处于生死叠加态，要想知道猫是死还是活，观察者必须去看一眼，这一眼就造成了波函数的塌陷，猫就不再处于叠加态，成了或死或活。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角度理解量子物理，但它很快成了学界的噩梦，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。这只猫把物理学扩展到了一个更大的范围中，不过科学家折腾了快一个世纪，也没有确切的定论。

物理学中的理论型知识大多是比较晦涩难懂的，科学家能够用上各种比喻来解释这些知识，让本来无聊的物理学变得有趣，也不失为一个理科生的浪漫。