本文轉載自公眾號「把科學帶回家」（ID：bringsciencehome）
科學家們最愛幹的事情就是兩眼放空開始幻想。和你的白日夢差不多，他們也喜歡在白日夢裡雲養寵物。其中最著名的當屬薛丁格的貓了。可是除了薛家的貓，你還聽說過別的思想萌寵麼？
在熱力學裡，麥克斯韋妖也是繼薛丁格的貓之後一個知名度比較高的幻想生物。它是由19世紀的物理學家，現代熱力學奠基人之一——詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）創造和飼養的。
麥克斯韋創造麥克斯韋妖的主要目的是想證明熱力學第二定律——不可能把熱從低溫物體傳到高溫物體而不產生其他影響——存在可以被違反的情況。
麥克斯韋妖的寵物力：可以識別一個封閉的系統中任何物體的熱力學狀態以及熵，並且可以對它們進行相應的操作。
假設有一個充滿氣體，並且中間有一道隔門的房間，房間的左邊氣體更熱，運動速度更快。房間右邊的氣體更冷，運動速度更慢。那麼如果把中間的隔門打開，那麼左邊和右邊的氣體應該會混合，最後達到平衡，房間的熵增。一般情況下事情的進展應該是這樣的，這也是熱力學第二定律的預測。
可是麥克斯韋的寵物卻可以把門，讓溫度高的氣體分子往熱的那半個房間跑，當溫度高的氣體想要跑到溫度低的那一邊時迅速地關上門，對溫度低的氣體也是一樣。這麼一來，有了麥克斯韋妖的話，左右不同溫度的氣體不但不會混合，溫差還會變大，這樣房間的系統熵不會增加，那熱力學第二定律不就完蛋了嗎？
不過後來物理學家們逐漸解決了這個矛盾。他們證明，記錄信息實際上讓系統的熵增加了，而且擦除信息的過程也會釋放能量（蘭道爾原理，Landauer's principle）。麥克斯韋的寵物這麼全知的話，它必須要能保存系統的信息，每次在放氣體分子通過隔門的時候，它還要記錄下這些信息。
不管他是一直無限儲存這些信息，還是先擦除再添加新信息，都不可避免地造成了熵增。因此這個房間系統的整體並沒有違反熱力學第二定律。
不過，後來有人表示不服，提出了麥克斯韋殭屍等更加奇特的鬧騰熱力學第二定律的寵物。所以到目前為止麥克斯韋妖依然是物理學家們最愛的寵物之一。
19世紀時，法國數學家拉普拉斯也養了一隻寵物，它被人稱為拉普拉斯妖。
拉普拉斯妖的寵物力：拉普拉斯的寵物了解宇宙的一切，比如任何物體在任何時間的精確位置。
通過這個全知的萌寵，拉普拉斯是物理學史上第一個提出可以通過宇宙某個時間的狀態推測它的過去和未來的人。也就是說，拉普拉斯妖就是一種萬物理論。
現在的許多物理學實踐都在應用拉普拉斯妖的思想。不過，拉普拉斯妖有一些致命的缺陷，因為某些物理過程是無法回溯的。比如根據楊振寧和李政道發現的宇稱不守恆原理，一些信息在某個時刻被永遠丟失了，我們無法重建那一時刻前的歷史。
另外，量子力學和拉普拉斯妖也有矛盾。量子力學的不確定性原理限制了拉普拉斯妖（以及我們人類）在某一時刻同時獲知微觀粒子位置和動量的信息的能力，也就是說，拉普拉斯妖不可能全知。
好吧，我們這兒物理學家開會呢，尼採一個哲學家亂入是腫麼回事？
其實尼採也養過一個萌寵，這個萌寵對後世的物理學和數學影響也很大。尼採是在1882年的《快樂的科學》中提出了這個妖精。
尼採妖的寵物力：尼採的寵物的功能比上面幾個萌寵妖更令人畏懼。尼採說，他養的寵物掌控著宇宙中的任何事件，而且不管大事還是小事，它都能讓這些事一遍遍重複發生。
這又如何？
想想看，不管你過得快樂還是悲傷，你會一遍遍重複這些痛苦或快樂，我們無法違抗尼採妖的旨意，只能陷入一遍遍的死循環。這個宇宙未來經歷的和現在經歷的，以及過去經歷的沒有差別。
聽起來像發瘋的尼採的又一次胡扯是嗎？那麼，尼採妖的思想體現在了許多科幻電影，還有龐加萊回歸定理中，你現在感覺如何？
龐加萊回歸定理說，對於任何有限系統來說，它會無限次地輪迴，接近初始狀態。諧振子就是一個例子。龐加萊回歸定理後來被應用到了混沌理論中，也被用來解釋三體問題，對就是劉慈欣的《三體》的靈感來源。
這個萌寵並不是達爾文本人養的，而是後來的生物學家根據達爾文的理論創造出來的。
達爾文妖的寵物力：它可以一下子將自己的所有基因適應度調成最優，這樣它就不用慢慢地適應環境，而是可以立刻適應環境。
當然了，現實中並不存在達爾文妖這樣的妖孽。如果它真的存在，生物學家們說，在理論上它可以在出生後立刻繁殖，而且能夠無限繁殖而不會死亡。這種情況顯然會違反熱力學定律。
這個預言家是美國理論物理學家威廉·紐科姆（William Newcomb）創造的紐科姆悖論中的關鍵角色。
什麼是紐科姆悖論？這是博弈論中的一個經典思想實驗。遊戲裡有一個玩家和一個預言家，還有2個盒子A和B。
玩家要選擇拿走B盒子或2個盒子。
如果預言家預言玩家拿走2個盒子，那麼B盒子裡什麼都沒有。如果預言家預言玩家拿走1個盒子，那麼其中B盒子裡會出現1百萬美金。
所以玩家應該怎麼做呢？
在不知道預言家準確率的情況下的4種可能結果
因為預言家只能控制B盒子，在預言家的準確性未知的情況下，最好的策略就是拿走2個盒子，這樣不管怎麼說最後都有至少1千美金不是嗎。所以這又有什麼問題呢？
預言家的準確性就是個問題。因為預言家總是能準確預言未來，而且玩家也知道這一點，因此如果你拿走2個盒子，那麼B盒子必然就是空的，你只能夠獲得1千美金。所以最好的策略又變成了只拿走B盒子，這樣可以拿走1百萬。
這個涉及自由意志和決定論的問題讓搞博弈論和混沌理論的人興致勃勃。在混沌理論裡，如果真有這樣從不犯錯的預言家，而且人類能意識到這一點，那麼人類的思想過程就會讓混沌系統的結果變得很不一樣。
這是笛卡爾養的一個全能的惡魔，它在夢中為笛卡爾創造出了河流、山川、肉體，還有一切感覺，甚至還為笛卡爾創造出了數理邏輯，讓夢中的笛卡爾信以為真。
如果真有這樣的惡魔，那麼人的感官都是不可信的，而依靠感官得到的物理學也自然是不可靠的。那笛卡爾是不是應該懷疑自己是否真實存在？笛卡爾此時應該怎麼辦？
笛卡爾說，即便所有的感官和物理世界都是假的，只要自己能懷疑一切，那麼惡魔鑄造的騙局就是不完美的，而能懷疑自身的人就是真實存在的。
惡魔造的假山會懷疑自己嗎？假人會懷疑自己嗎？如果惡魔不能阻止笛卡爾懷疑這個世界，那麼笛卡爾就不是惡魔造的。這就是笛卡爾那句名言——「我思故我在」的起源。
這個惡魔是笛卡爾造出來用來解釋他的懷疑論思想的，也就是一切思想都值得懷疑，你要懷疑一切。不過，「懷疑一切」這個道理，也就是說笛卡爾的「我思故我在」名言卻是不能被懷疑的。如果你篤信這一點，那麼笛卡爾的全能惡魔就無法完全控制你的思想，而你也必然存在。
這個妖怪的寵物力是這樣的，它是一個未來的怪物，它會回到過去懲罰那些預測了它的存在，但是故意違逆它心意的人。
Roko 的蛇怪在人工智慧中的應用就是，如果未來出現了一個超級AI，那麼它就會回到現在，懲罰那些所有知道它即將出現，但阻撓它的出生的那些人。（所以 Roko 的蛇怪要是真的存在，那麼現在世界上不是應該不存在反對AI的人嘛？）
這個妖怪來自於一個叫做 LessWrong 的科學論壇上的某個叫做 Roko 的網友的思想實驗。它並沒有經過嚴格的論證，但是依然引起了不少人的興趣，其中就包括馬斯克和他目前的女朋友，他倆都是這個思想實驗的粉絲。
大多數人只知道薛丁格的貓，但不知道的薛丁格的貓還有續集。沒有這個續集，或許現在你就不知道薛丁格的貓這件事了。
實際上薛丁格的貓在薛丁格的年代並沒有什麼名氣，薛丁格本人在生前也不太提到這個思想實驗。後來，在匈牙利數學家約翰·馮·諾伊曼（John von Neumann）的影響下，薛丁格的貓才稍微在學術界有了些知名度。
20世紀60年代，馮·諾伊曼的一個粉絲——匈牙利物理學家尤金·維格納（Eugene Wigner）利用薛丁格的貓創造了另一個虛擬人——維格納的友人。
維格納把這個人被取名為迷糊博士（Dr. Muddle），他在一個孤立的實驗室裡做了薛丁格的虐貓實驗。
在看到盒子裡的真相前，他的內心風起雲湧，一會兒很困惑，一會兒很開心，處於情緒的疊加態之中，但是別人並不了解他的內心的真實想法。當他打開盒子的那一剎那，他的情緒才固定下來。用量子力學的說法，觀察導致他的情緒「塌縮」了。
維格納通過這個寵物人想說明的是，意識狀態的改變才是量子塌縮發生的時刻。
而這個思想實驗被著名哲學家和數學家、哈佛大學的希拉蕊·懷特哈爾·普特南（Hilary Putnam）看到了。1965年，他把薛丁格的貓以及維格納的友人問題寫成了一篇文章，收錄到了一本書裡，然後《科學美國人》針對普特南的書寫了書評，薛丁格的貓的故事才正式在科普界流行起來。
圖片來源及參考資料：
https://www.nature.com/news/the-unavoidable-cost-of-computation-revealed-1.10186
http://www.socsci.uci.edu/~jabarret/bio/publications/wigner%27s%20friend%20and%20bell%27s%20field%20beables.pdf
http://www.slate.com/articles/technology/bitwise/2014/07/roko_s_basilisk_the_most_terrifying_thought_experiment_of_all_time.html
http://www.pbs.org/wgbh/nova/blogs/physics/2015/11/schrodingers-cat-lives-on-or-not-at-the-age-of-80/
http://www.oxfordreference.com/view/10.1093/oi/authority.20110803095701127
http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2012/11/20/time-reversal-violation-is-not-the-arrow-of-time/
https://blogs.scientificamerican.com/cocktail-party-physics/maxwells-demon-meets-quantum-dots/
https://en.wikiquote.org/wiki/Eternal_return
http://www.darwiniandemon.com
https://www.theguardian.com/science/alexs-adventures-in-numberland/2016/nov/28/newcombs-problem-divides-philosophers-which-side-are-you-on
https://plato.stanford.edu/entries/descartes-epistemology/
oxford reference: Maxwell's demon, Darwinian demon
編輯：loulou
近期熱門文章Top10
↓ 點擊標題即可查看 ↓
1. 進了賭場黑名單的數學家們，已經快把這種電影最愛的賭法玩壞了
2. 我所了解的中國電子元器件行業
3. 今天沒有推送，千萬不要點開！
4. 鏡子裡的你為什麼是左右顛倒而不是上下顛倒？ | No.99
5. 人家的腦子是純金的！純金的！
6. 說來慚愧，當年打了中情局臉的黑科技，如今我們用在了吃飯上
7. 學物理的顏值高是一種怎樣的體驗？| No.100
8. Science：鑽石都彎了，還有什麼不能？
9. 你可能跑不過自己的影子，因為黑暗比光速還快？
10. 日本人掌握了武林絕學萬劍歸宗，秘密是好好學物理
點此查看以往全部熱門文章