科學界的四大神獸:壓在科學家頭上的拉普拉斯妖是如何被推翻的

2020-12-27 科技即正義

今天我們要和大家聊一聊科學界的四大神獸,拉普拉斯妖。很多人沒聽過這個名字,但是對於它的理論大家應該都或多或少地接觸過,因為它是基於傳統力學,我們理解起來也非常容易。

世界萬物一切早已註定

拉普拉斯妖其實就是法國數學家拉普拉斯提出的一個假設實驗,拉普拉斯妖引發了很多人的思考,甚至可以說顛覆了一些科學家思想,也是決定論的重要體現。

想像一個大箱子,往裡扔一個有彈性的彈珠,那麼這個彈珠會在箱子內不停地彈來彈去,我們隨機選取一個時刻暫停,這個時候開始測量數據,彈珠受到多大的力,力的方向,箱子內壁的摩擦係數,空氣阻力等等所有的數據全部測量好,那這個彈珠的未來你將可以完美預測,它接下來會被彈到哪裡,何時會禁止下來等等,你可以預測未來了。甚至你還可以回顧過去,這個彈珠之前的軌跡在你眼裡也將一覽無遺。這個其實就是拉普拉斯妖的核心。如果一個惡魔可以知曉整個宇宙中每一個粒子的信息,那麼整個宇宙對於它來說都是可以預測和反推的。那我們也得到了一個信息,這個宇宙的未來是註定的,只是人類沒辦法去獲取那麼多信息。只要獲取的信息足夠多,就可以精準地預測未來。

這個理論基於牛頓的經典力學,當時人類利用它已經預測了很多信息,比如太陽系行星的運轉,海王星的發現等等,經典力學讓人們有一種錯覺,這個宇宙中的所有事物,都是可以被精準預測的,而拉普拉斯妖則是這一理論的極限。當「人」我們本身被當作可以預測的以後,很多科學家開始迷茫了,他所學習的科學告訴他,他未來的一切都是註定的,他這一輩子從宇宙大爆炸的那一刻起就被註定了,對於很多人來說,這是沒有辦法接受的事。如果是你,你能接受這樣的事嗎?

熱力學定律

所有人都在奮力反駁自己未來被註定,熱力學第二定律稍微拯救了一下世界。

現在給你一個漏鬥,你在這個漏鬥口上任意位置扔粒沙子,這個沙子最終都會通過漏鬥細長的管道中,而你計算管道中沙子的信息沒有辦法計算出沙子在漏鬥口中經過了怎樣的運動,在這個過程中,信息是會丟失的,或者說這些信息被轉化成了熵。這個結論對於拉普拉斯妖是一個沉重打擊,但並不是絕對性的,熵的產生不可逆,最多只是在推算過去有影響,但是對於未來還是可以預測的。

量子力學它來了

在正義君之前的文章中有詳細的介紹光的雙縫幹涉實驗。我們可以通過它知道,科學家發現在微觀世界中,粒子充滿了不確定性,當同樣的因沒辦法得到同樣的果,再沒有誰敢提精準預測。預測當然還可以,電子哪怕不確定它的位置,但是它還一定在原子的核外空間內,只是預測就真的變成了可能。

拉普拉斯妖作為科學界的四大神獸,在提出的當時成了無數科學家身上的一座山,被壓得喘不過來氣,可又沒辦法去反駁,但這就是科學的魅力,科學是可以證偽的,科學為何強大,因為它每時每刻都在更新,不斷更改錯誤。

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  • Oh My God,原來是一個這樣的拉普拉斯,宇宙中的惡魔拉普拉斯妖
    「拉普拉斯妖」是著名的物理學四大神獸之一,另外三隻分別是:薛丁格的貓、芝諾的烏龜、麥克斯韋的妖精。「我們可以把宇宙現在的狀態視為其過去的果以及未來的因。拉普拉斯這裡所說的「智者」即後人所謂的「拉普拉斯妖」或「拉普拉斯的惡魔」。簡單的說,就是此「惡魔」知道宇宙中每個原子確切的位置和動量,能夠使用牛頓定律來展現宇宙事件的整個過程,過去以及未來。因此所有人甚至宇宙的未來是已經被「決定」了的。從科學研究的歷史上看,在量子力學問世之前基本上科學界都是相信決定論的。
  • 數學大師,宇宙中的惡魔拉普拉斯妖
    02 "拉普拉斯妖"說到拉普拉斯,就不得不提到"拉普拉斯妖"。"拉普拉斯妖"是著名的物理學四大神獸之一,另外三隻分別是:薛丁格的貓、芝諾的烏龜、麥克斯韋的妖精。"我們可以把宇宙現在的狀態視為其過去的果以及未來的因。如果一個智者能知道某一刻所有自然運動的力和所有自然構成的物件的位置,假如他也能夠對這些數據進行分析,那宇宙裡最大的物體到最小的粒子的運動都會包含在一條簡單公式中。
  • 拉普拉斯妖:通曉宇宙一切,深知過去未來,最終被量子力學終結!
    今天我們來聊一聊拉普拉斯妖。(文章最後有我個人對文章重點的總結,趕時間的話可以直接跳到最後面看總結。)網上有物理學四大神獸的調侃,它們分別是薛丁格的貓、芝諾龜、麥克斯韋妖和拉普拉斯妖。薛丁格的貓我很久之前就已經和大家聊過了,前兩篇又和大家聊了芝諾龜和麥克斯韋妖,而今天拉普拉斯妖這篇文章算是對四大神獸的一個收尾啦。不得不說,這些神獸存在還是有道理的。
  • 物理四神獸——拉普拉斯的妖
    在這個過程中,系統的信息是有損失的,而熱力學熵是不可逆的增加(或不變)的,可以理解為一部分信息轉化為熵,所以有科學家也把熵稱為「丟失的信息」。如圖1所示。圖1 丟失的信息我們可以考慮一個具體的例子,如圖2所示。
  • 【物理神獸】物理學の四大神獸,快來康康!
    現在,一個人只要懂點科學,都已經能自如地接住薛丁格的貓這個梗了,然而在物理界,薛丁格的貓只是四大神獸中的一隻。
  • 物理學四大神獸,除了「薛丁格的貓」, 你還知道哪幾個?
    在科學的歷史上,就流傳著非常有趣的「物理學四大神獸這篇文章我們就來看看」物理四大神獸,是號稱"將上帝趕出宇宙"的人,他提出的拉普拉斯方程廣泛應用於各個領域。他只能詼諧地假定一種「妖」,能夠按照某種秩序和規則把作隨機熱運動的微粒分配到一定的相格裡。麥克斯韋妖是耗散結構的一個雛形。
  • 物理學四大神獸
    在物理學發展的路上,曾經出現過四大「神獸」,每一個神獸都對應著一個經典的物理學理論,分別為微積分,量子力學,經典力學與熱力學第二定律。今天皮皮老師就和大家具體的介紹介紹1.薛丁格的貓這四大神獸裡,最為人熟知的也許就是量子力學中最為著名的思想實驗薛丁格的貓了。這個思想實驗講的是假如有一隻貓被關在一個裝有有毒氣體的箱子裡,而決定有毒氣體是否釋放的開關則是一個放射性原子。
  • 物理學「四大神獸」,除了薛丁格的貓,你還知道哪一個?
    所謂「思想實驗」就是利用我們的想像力,來完成一些現實中不可能實現的實驗,在物理學發展的過程中,很多理論都是建立在思想實驗之上,隨著科學的發展才一步步證實的,在物理學的各種思想實驗中,存在物理學「四大神獸」,最著名的是「薛丁格的貓」,除了這個貓咪,你還知道哪個?
  • 物理學「四大神獸」:除了薛丁格的貓,另外三個是什麼?
    在這些思想實驗中,有四個的名稱與動物有關,它們被冠以物理學「四大神獸」。(1)芝諾的烏龜這是最早的「神獸」,由2480年前的古希臘哲學家芝諾提出,它又被稱為芝諾悖論。試想一下,一個人以10米/秒的速度奔跑,一隻烏龜以1米/秒的速度爬行。一開始,烏龜比人領先了100米,那麼,人在什麼時候會追上烏龜?
  • 序言:拉普拉斯的妖(Laplace's Demon)
    一個具有這個能力的人,或者計算機系統,就是所謂拉普拉斯的妖(Laplace's Demon)。拉普拉斯的妖這個問題關係到人類認知的終極哲學問題,在本文末我會補充一些個人看法。但是在這裡,我將從信號處理(signal processing)的角度給以說明。所以,這篇文章算是這個公眾號的序言。      拉普拉斯的妖必須具備三個能力:1.
  • 物理學上的四大神獸,除了薛丁格的貓,你知道其他三大神獸嗎?
    在物理學發展的路上,曾經出現過四大「神獸」,每一個神獸都對應著一個經典的物理學理論,分別為微積分,量子力學,經典力學與熱力學第二定律。今天小編就和大家具體的介紹介紹。1.薛丁格的貓這四大神獸裡,最為人熟知的也許就是量子力學中最為著名的思想實驗薛丁格的貓了。
  • 物理學上的四大「神獸」,除了薛丁格的貓,你還知道哪幾個?
    在物理學發展壯大的過程中,曾經出現過四大「神獸」,每一個神獸都對應著一個經典的物理學理論,分別為微積分,量子力學,經典力學與熱力學第二定律。 1、薛丁格的貓
  • 科普觀瀾第一期| 漫話物理學「四大神獸」
    第一期,讓錦書與您一起漫話物理學中的「四大神獸」。相傳中國古代有青龍、白虎、玄武、朱雀四大神獸,但實際上它們只是古人宇宙觀的一種象徵,並沒有真正的神力。但是在物理學中,也存在著四大神獸:芝諾龜能縮地成寸,拉普拉斯獸可以預知未來、麥克斯韋妖能量無窮無盡、薛丁格的貓超越了生死。
  • 物理學四大神獸之芝諾的烏龜,芝諾悖論到底存不存在?
    物理學四大神獸之芝諾的烏龜,這則悖論曾經困擾了整個科學界上千年之久,甚至導致了第二次數學危機,你是否聽過這樣一個故事,烏龜與人類賽跑,由於人的平均速度是烏龜的十倍,鑑於人類很有體育精神,於是他決定,讓烏龜先跑100米,然後自己再跑,當他跑了100米後,這名人類發現烏龜領先他十米,於是他又奮力地追了一米,此時,人們發現烏龜比他領先了十釐米,那麼人類,究竟何時才能追上烏龜?
  • 除了薛丁格家「又死又活」的貓,物理學「四大神獸」還有什麼?
    自初中學習物理時,相信不少人就有耳聞過物理學的「四大神獸」。就算沒辦法全部叫出來名字,起碼薛丁格的貓還是聽過的。這四隻神獸分別對應著量子力學、微積分學、經典力學、熱力學第2定律。說起來這四隻神獸還挺厲害的,像極了仙俠小說裡的人物。
  • 物理學四大神獸,有一個已經被消滅,最早出現的那個晦澀難懂
    筆者:三體-小遙在人們認識整個宇宙的過程中,發現了很多有趣的現象,為了更快更好地解開宇宙中的謎團,科學家們也提出了一些設想和悖論。時至今日,這一部分理論中,有的仍然是物理學領域的重點課題,有的已經被新興理論推翻,其中最著名的就是「四大神獸」了。最早出現的「神獸」是芝諾的烏龜,它所對應的理論是微積分,這個幫助人們解決了大量測算問題的理論,十分晦澀難懂,卻在學術界發揮著重要作用。
  • 拉普拉斯方程之美:萬物的數學之匙
    它,乃是拉普拉斯方程。它,無處不在。拉普拉斯方程是由皮埃爾-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)首先提出而得名的。拉普拉斯則是一位世界著名的法國數學家,在維基百科上甚至有數個被冠以他的名字的頁面。在1799年,他證明了在天文時間單位裡,太陽系是一個穩定的系統,推翻了一個世紀前牛頓的假設。
  • 科學家:潘多拉的盒子
    早在2015年的時候,羅切斯特大學的科學家們獲得了一個意外發現,在氫原子能級的的能量計算中,發現了其計算公司就是數學家約翰沃利斯在《無窮算數》中闡述的一個數學公式的表現:圓周率其實等於無窮多個分數相乘的積,也就是說沒有數學工具,人類也能利用氫原子來計算出圓周率。
  • 特斯拉和牛頓、愛迪生與愛因斯坦,誰對科學界的貢獻更大?
    毫無疑問這必須是特斯拉的貢獻最大嘛,不知道從什麼時候開始,特斯拉已經在科學界封神,無論是他發明的交流電,還是實驗中不小心導致了通古斯大爆炸,甚至還發現了太陽系皮殼層,難道不是他嗎?
  • 科學家:潘多拉魔盒就會被打開!
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