物理学四大神兽都有谁?一个怪兽一个妖,一只乌龟一只猫

因为对星宿的崇拜,远古先民们创造了四大神兽或者说四大神明,它们分别是青龙、白虎、玄武、朱雀。但可能很多人不知道,在现代物理学中同样有着四大神兽,它们分别对应着四个物理学说。

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这四只神兽拥有难以想象的魔力,让科学家们对其痴迷不已,因为每战胜一只神兽,就意味着人类朝着科学最终目标又迈出了坚实的一步。

关键的问题来了,这四只神兽都是谁呢?答案:一个怪兽一个妖,一只乌龟一只猫。

拉普拉斯妖

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在量子力学出现之前,科学界被牛顿创立的经典力学所“统治”,由此也就诞生了一个能够善于计算的神兽——拉普拉斯妖。

数学家拉普拉斯称,世界上存在一种神兽,它拥有超凡的能力,只要给它提供计算某个事物需要的条件,那么它就能够用简洁的公式准确算出这个事物的未来。

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换句话说,宇宙中所有粒子的运动轨迹都是能够计算的,只要知道它前一刻的运动轨迹,就能够轻易计算出它下一刻的运动状态,而把宇宙中每一个粒子的运动状态都知晓之后,就能够精确预知宇宙未来的整体走向。

对于经典力学的忠实拥趸来说,拉普拉斯妖是宏观经典力学的守护神兽,它象征着简史的真理。可对于其他人来说,拉普拉斯妖简直就是一个噩梦,因为如果人类未来命运已经被它计算得明明白白,那么我们的存在、我们的生命还有什么意义?

幸好,在不到100年的时间里,以海森堡为首的量子力学,联手以开尔文为代表的热力学对其挥刀乱斩,这才彻底终结了兴风作浪的拉普拉斯妖。

麦克斯韦妖

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提到了热力学,就不得不提到另一种神兽——麦克斯韦妖。“麦克斯韦妖”是电磁学大神麦克斯韦为了对抗熵增而假想出来的“神兽”。

熵是描述在封闭系统中混乱程度的值,它只能增加不能减少,所以有序系统最终会从秩序走向无序。对于这个理论麦克斯韦嗤之以鼻,他认为世界存在一种能够与之相抗衡的能量控制机制,也就是麦克斯韦妖。

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这只妖能够迅速将速度快的分子和速度慢的分子进行分类,从而让系统的有序度变高、熵值变小。

乍一看,麦克斯韦妖似乎能够对热力学第二定律造成巨大的冲击,甚至直接将其击败,同时也让宇宙热寂说成为一个笑话。

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但在精密的物理帝国中,任何东西都要经得起推敲,事实证明孤立系统中不可能有麦克斯韦妖,因为麦克斯韦妖如果想熵减,必然要知道每个分子的运动信息,而在不损耗能量的情况下知道这些情况是不可能的。

所以,在困扰科学界150多年后,麦克斯韦妖终于被20世纪50年代提出的“信息熵”概念彻底击败。

芝诺乌龟

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公元前464年,一场堪称“史诗级”的运动会开始了,芝诺乌龟要和神之子进行赛跑。神之子身材高大,孔武有力,而芝诺乌龟身材短小,较为娇弱。

芝诺乌龟以其体型吃亏为由,申请提前跑100米的距离,神之子认为自己比芝诺乌龟快10倍,便同意了它的请求。

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比赛开始,当神之子追到100米时,芝诺乌龟位于110米处,当神之子到达110米处时,芝诺乌龟又爬到了101米处。芝诺乌龟和神之子之间总会有一段距离,只要它不停下,神之子就永远追不到。

可能在现实中,这样一只乌龟几岁小孩都能够追上它,但在严谨的物理学领域,万事万物都需要严格的逻辑推理,即便能够轻易算出追上芝诺乌龟的时间,但仍然无法证明出神之子为什么能够追上它。因此,芝诺乌龟得以傲然高居物理大厦顶端2000多年。

2000多年后,牛顿和莱布尼茨联手修炼微积分,这才破解了时空连续性,彻底追上了这只不讲道理的乌龟。

薛定谔的猫

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20世纪,随着量子力学的出现,一个略带悲剧的神兽也随之出现,因为它诞生于物理学家薛定谔之手,所以被称为“薛定谔的猫”。

薛定谔的猫经历悲惨,它从诞生到现在都生活在物理刑场上,掌握了又死又生的绝技。这个物理刑场是个不透明盒子,里面有一个毒药瓶,原子核是这个瓶子的开关。倘若原子核衰变,那么毒药将会被释放,盒子中的猫必死无疑。

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不过,由于没有人知道原子核什么时候衰变,所以尽管猫是必须死的,但是没有人知道它究竟什么时候死。也就是说,在盒子没有真正被打开之前,盒子中的猫要么是死的、要么是活的。

但现实可并非如此,因为这只猫拥有一个诡异的能力——量子叠加,所以在被观测之前,这只猫处于一个“又死又生”的叠加状态中。

别觉得这很荒谬,因为在微观世界中宏观世界的因果逻辑并不适用,所以微观世界有极多颠覆认知的事实。而关于薛定谔的猫,至今仍然是科学界广泛讨论的话题。

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页面更新:2024-03-04

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