科學界4大神獸聚集:麥克斯韋妖是什麼?通俗易懂的物理學!

2020-12-21 科學新視界

不知道大家有沒有這樣的體會,搞文科理論的人,總愛把理論搞的特別複雜,生怕普通人看懂了。而搞科學理論的人,總是千方百計把理論往簡單了解釋,生怕普通人看不懂。

那科學界的大佬們為了讓複雜的物理理論變得通俗易懂,它們又創造出什麼神奇的方法呢?今天小編就來和大家詳細的聊聊物理學界的四大神獸,看科學家們是如何讓普通人也能聽懂高深的理論的。

這四大神獸分別是:芝諾的烏龜,拉普拉斯獸,麥克斯韋妖和薛丁格的貓。這四大神獸中,芝諾的烏龜對應的是微積分,拉普拉斯獸對應的是經典力學,麥克斯韋妖對應的是熱力學第二定律,薛丁格的貓對應的是量子力學

01芝諾的烏龜

芝諾的烏龜是四大神獸裡「年齡最大」的,誕生於公元前500年左右的古希臘。這個時代有一個叫芝諾的數學家,芝諾的烏龜就是他提出的關於運動不可分性的悖論之一。在這個悖論中,芝諾提出了這麼一個問題。

古希臘神話人物阿克琉斯是一位運動健將,他的速度是烏龜的10倍,但是在他們比賽曬跑的時候,只要讓烏龜在前面100米,阿克琉斯就永遠也追不上這隻烏龜。芝諾認為,無論如何,這隻烏龜都將在阿克琉斯的前面。

芝諾是這麼認為的,每當阿克琉斯追到烏龜先前所在的位置時,無果都在這個時間段內又往前爬了一段距離。假如阿克琉斯的速度為10米/秒,烏龜的速度為1米/秒,10秒後,烏龜領先10米;又過1秒後,烏龜領先1米;再過0.1秒後,烏龜領先0.1米。這個過程是無窮無盡的,總能找到一段足夠小的時間,烏龜領先於阿克琉斯,故而阿克琉斯永遠也住不上這隻烏龜。

我們都知道用追及問題來算,小學生都能算出追到所需要的時間,但是想要解釋這個疑問,卻很難。現在我們知道,解決這個問題需要用到微積分,用到無窮小的概念。但是至今為止,牛頓和萊布尼茨發明的微積分雖然擊破了時空連續性的問題,解決了這個悖論,而關於無窮小的概念,即使後來柯西等數學家用極限的思想逃過了這一問題,人類至今都還沒有真正的解決

02拉普拉斯獸

這個神獸於1814年由法國數學家拉普拉斯提出,這是一個能夠預言萬物與未來的神獸,人們將之比喻為「宏觀經典力學」的守護神。

這個神獸有多強大呢?它是拉普拉斯糅合了經典力學,天體力學,概率論等基礎理論後提出的。這個神獸是因果論的代表,認為宇宙現在的狀態是過去造成的,也就是過去的因才有了現在的果。這個神獸認為一切都是註定的,一切都是可以預測的。

那這個神獸如何預知未來呢?假如它能夠知道此時此刻宇宙中每一個微觀粒子的位置和動量,那麼他就可以用牛頓公式計算出下一秒乃至更久以後這些微觀粒子的位置和動量,而這些信息就代表著未來。這意味著這隻神獸知曉宇宙的誕生與結局中的每分每秒,可將將人類的命運計算得清清楚楚,世界也成了一局可逆轉的遊戲。

拉普拉斯這個神獸剛提出之時,人類頂尖的科學家頓時陷入了一篇恐慌,但是隨著19世紀提出的不可逆的熱力學定律,20世紀海森堡的不確定性原理和近代混沌理論裡的蝴蝶效應的提出,科學家們終於徹底殺死了這隻神獸。

03麥克斯韋妖

除了一些民科以外,接受過現代科學教育的人都知道「永動機」是不可能實現的。但是在19世紀之前,無數的頂尖科學家都沉迷在永動機的世界裡不可自拔。

這個荒誕的夢想直到堅持不可逆的熱力學定律出現後才終於被徹底打破,各種想著發明各種永動機的專業科學家一夜之間全部消失了。而在1871年,人類歷史上最偉大的科學家之一麥克斯韋創造了物理學第三大神獸「麥克斯韋妖」。

麥克斯韋妖是一隻想像中的妖怪,麥克斯韋試圖用它來否定熱力學第二定律。在這個思想實驗中,麥克斯韋妖是一隻能夠用極快的速度去操縱分子運動的妖怪,它們減少做功過程中的能量消耗,試圖達到不消耗能量獲取信息的目的。

在物理學中,麥克斯韋妖可以在不使用能量的情況下讓空間自動從混亂變為有序,讓空間的熵減少。但是熱力學第二定律卻告訴我們,熵增是不可逆的,因此它又叫熵增定律。我們想要讓空間變得有序,就必須用更多的能量,因此第二類永動機是不可能實現的。從1871年到2020年,人類尋找了幾百年,麥克斯韋妖依然不見蹤影,它就像人類想像中的一個救世主。如今,熱力學定律依舊是宇宙鐵律之一,就和質能守恆定律一樣。

04薛丁格的貓

這是四大神獸裡最年輕的一隻,它出生於1935年,由量子力學領域的大佬薛丁格提出的,其本意是為了反對哥本哈根學派的的量子疊加態,解釋量子力學的邊界問題,卻反被玻爾等人利用,反倒成為了量子疊加態學說的守護神。

這個思想實驗大概就是說將一隻貓放在一個裝有少量放射性物質和氰化物的密封盒子裡,這裡面的放射性物質就是開關,當發生衰變後,機關就會被觸發,劇毒的氰化物就會被釋放,貓就會被毒死。

這裡這個放射性物質下一秒是否會發生衰變十萬群不可預測的,在一秒鐘過後,根據量子力學的理論,盒子裡的放射性物質處於衰變和沒有衰變的疊加態,反映在貓身上就是貓處在半死半活,既死又活的狀態,想要知道具體的結果,我們需要打開盒子才能知道。而量子力學認為,當打開盒子的一瞬間,疊加態就會坍縮成一種唯一的確定態,既我們觀察到的現象,貓要麼活著,要麼死了。

在這隻貓身上,宏觀世界的因果律被打破,變成了所謂的概率波,完美地將微觀不確定轉化為了宏觀不確定

薛丁格的貓也因此成為了四大神獸裡最慘的一隻,後來科學家們試圖用平行世界的理論來救這隻貓,但是至今人類還沒有成功。

好了,這就是物理學上的四大神獸,也許未來科學界還會出現更多的神獸,但不管怎樣,每一隻神獸的出現和死亡,都代表著人類科學的進步,這才是最後的,不是嗎?對此你怎麼看?

相關焦點

  • 「麥克斯韋妖」與「薛丁格的貓」齊名,它有何恐怖之處?
    物理學中有四大神獸,分別為「芝諾龜」、「拉普拉斯妖」、「麥克斯韋妖」以及「薛丁格的貓」,可以看到答案是「麥克斯韋妖」根本就不恐怖,與之相反,它是一隻「好妖」,今天我們就來講一下「麥克斯韋妖」有什麼本領。 先簡單介紹一下麥克斯韋(James Clerk Maxwell),他在物理學上的成就可以比肩牛頓,當年的牛頓統一了天上和地下,而麥克斯韋統一了電磁領域,這兩人的成就交相輝映,成就了一個堪稱完美的經典物理學時代。好的,現在我們進入正題。
  • 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
    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。
  • 物理界四大神獸
    可大部分的人卻沒有這麼高興,如果人類的所有命運都已經被拉普拉斯算得清清楚楚,那我們還有什麼活頭?這時候,讓愛因斯坦都崇拜不已的電磁學(後期我可能延伸愛迪生和特斯拉)大牛麥克斯韋創立了物理學史上第三大神獸——麥克斯韋妖。
  • 《信條》——熵增定律 時間倒流 做自己的「麥克斯韋妖」
    這種機器被稱為「第一類永動機」隨著熱力學第一定律的提出,科學界也通過擲地有聲的真理,莊嚴宣告了第一類永動機幻想的徹底破滅。宇宙的外面是什麼?我們為什麼不能發現外星人?生命的意義又是什麼?萬事萬物的終極時刻是什麼樣。回首這一切人類無釐頭的思考,可能這個「熵增定律」真的能解決人類的幾乎所有疑問。同時殘酷的是,這個定律讓人類平等,讓萬事萬物處於同一地平線。從某種意義上來說,人類改造宇宙,徵服萬物的野心在這一定律下也會變得死寂。這也是最令人絕望的真理。
  • 自然界的第一定律——麥克斯韋妖隨筆之二
    一、小妖工作之析前文說,麥克斯韋妖是從一位英國物理學家的腦子裡構造出來的,俄裔美國物理學家又描繪了它的模樣與能耐,既然是物理學家構造和描繪了這隻妖,就一定是與許多物理問題相關聯的,這些物理問題展開,就是對麥克斯韋妖的逐步介紹與剖析,也是後續文章要展示的內容。
  • 麥克斯韋妖終於出現了?90年來科學家始終沒搞明白這個裝置的原理
    撰文 七君1871年,英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋提出了一種看起來違反熱力學第二定律(系統自發熵增)的妖怪——麥克斯韋妖。麥克斯韋妖可以把氣體分子按照速度分到兩個不同的房間,速度快的一類,慢的一類。注入高壓氣體後,渦流管左右的溫差逐漸拉大,最高達到27攝氏度。你可能想知道氣體在渦流管內部做了什麼。原來,當輸入的高壓空氣沿著長的管子向前流動時開始分層,更熱的空氣向外圈流動,而冷的空氣在內圈流動。
  • 物理學最重要的諾特定理,是怎樣導出三大守恆定律的?
    物理學中常見的守恆定律有能量守恆、動量守恆、角動量守恆。什麼是物理量的守恆?舉例來說,守恆量就像體育課上滿操場瘋跑的孩子們的人數,它在一整節體育課上都是不變的,不會增加也不會減少,而這一整節課,正好類似於一個力學系統。
  • 物理學「神獸」薛丁格的貓,到底代表了什麼?答案比你想像的複雜
    今天我們來討論一個讓很多人感到疑惑的問題,「薛丁格的貓」到底代表了什麼?為什麼這個思想實驗經常被人提及,它對我們的科學發展有什麼幫助嗎?其實重要的並不是貓咪,而是貓咪所處的狀態「生死之間」,如果不打開盒子,我們就無法判斷貓咪的生死,這個時候這只可憐的貓就是生和死兩種狀態共存。
  • 真正的「物理學聖劍」——奧卡姆的剃刀
    「物理學聖劍」    「物理學聖劍」這個稱呼源自於遊戲《半條命》,其實所謂的物理學聖劍就是一根「
  • 2020年諾貝爾物理學獎揭曉,這次研究的是黑洞!
    2020年諾獎,聚焦銀河系「最深處的秘密」今年的諾貝爾物理學獎仍然聚焦天體物理學領域,帶我們發現宇宙探索的又一「高光時刻」——黑洞和銀河系「最深處的秘密」。這三位科學家正是在這一領域做出了開創性的貢獻。
  • 諾貝爾物理學獎史演義系列(十)——範德華博士論文解物態
    科學界有個不成文的現象:當舊理論在一般條件下不適用的時候,新理論就成為科學家們追逐的重點。科學家紛紛加入到新理論的研究中,也包括範德華。 範德華原名約翰尼斯·迪德裡克·范·德·瓦耳斯。他父親是萊頓市的普通木匠,生了十個子女。作為長子,範德華很早就擔起大哥的責任,做弟弟妹妹們的表率。在學校是學霸,門門成績都很好,15歲時中學畢業當小學教師,用工資補貼家用。
  • 口袋妖怪神獸體型排行榜,第一名的神獸和中國大有淵源
    口袋妖怪的神獸實力強大,看起來也非常炫酷,有些小巧玲瓏,有些則是龐然大物,神獸的實力雖然和體型沒有什麼直接關係,但是體型大就有自帶的威懾力,夢幻很強,但是初看到看到這隻神獸,誰又能直觀地體會到它毀天滅地般的實力呢。
  • 諾貝爾物理學獎第4位女性獲獎者誕生!盤點諾貝爾物理學獎的那些...
    中國青年報客戶端北京10月6日電(中青報·中青網記者 葉雨婷)北京時間10月6日,2020年諾貝爾物理學獎揭曉,三位獲獎者因發現了宇宙中最奇特的現象之一——黑洞而獲獎。羅傑·彭羅斯(Roger Penrose)發現,相對論的一般理論導致了黑洞的形成。
  • 《神武4》手遊神獸、珍獸造型迭代上線,誠邀大家加入大糖盛世
    一路走來不知不覺間,快樂社交網遊《神武4》迎來了自己的首個十年。神武十年,很高興認識你!今年,《神武4》甜攜手蜜使者硬糖少女303,為大家帶了精彩紛呈的更新!其中,小夥伴們心心念念的特殊寵物造型迭代也上線了!下面,就由小編帶大家了解一下吧!
  • 諾特定理——20世紀、21世紀物理學的指路明燈
    如今,除了那些專業的物理學家,很少有人知道她,那是她個人的悲哀,也是那個時代的悲哀,因為在20世紀初,即使在西方,女性的社會地位也很低,而在充滿雄性荷爾蒙激素的科學界,給予女性的只有數不盡的障礙,即使是最偉大的思想,也往往很輕易地被忽視。下面先簡單介紹一下她的生平,這樣可以讓大家對她有更多的了解。
  • 扎克伯格家《寶寶的量子物理學》到底有多麼了不得?童樂島已售500多套!
    《寶寶的量子物理學》是個什麼鬼?趕緊度娘,原來Facebook創始人扎克伯格貼出了夫妻倆一起給剛出世的女兒讀繪本的照片,這本書就叫《Quantum Physics for Babies(寶寶的量子物理學)》。這下可把咱當爹媽的胃口吊得老高。物理學渣也表示充滿了好奇,我讀了六年都還暈頭轉向的物理竟然能講給小寶寶聽?
  • 妄想山海神獸圖騰是什麼 神獸圖騰掉落物品詳解
    妄想山海神獸圖騰是什麼?神獸圖騰打完會掉落些什麼?神獸圖騰有哪些種類?今天小編就為大家介紹下神獸圖騰掉落物品詳解,我們一起來看看吧!
  • 這些懸而未決的問題成為了現代物理學的關鍵!
    眾所周知,我們的物理框架已經逐漸成型,科學家在物理學上已經取得了很多成就,但是關於宇宙的許多謎團仍然存在。現代物理學有許多值得驕傲的成就,例如對三種自然力的量子理解。然而,神秘無處不在,有時我們知道的越多,我們不知道的也越多,比如一些懸而未決的問題已經成為了現代物理學的關鍵!物理定律的發展20世紀初,我們有了電磁學的理論,它簡單地統一了我們對電、磁和輻射的理解。我們還有牛頓定律,它為理解運動提供了堅實的框架。這兩根偉大的柱子支撐著我們的物質世界。
  • 山海經裡10大神獸,最厲害的竟然和盤古一樣?
    4 饕餮饕餮盛宴這個詞大家就很熟悉,雖然99%的人都不會寫這兩個字。從名字你就能聽出來,這個神獸是個吃貨,甚至它把自己的身體都給吃了。《山海經》記載,饕餮生性殘忍,能吃下世間萬物,所以古人也用它來象徵那些貪婪的人們。
  • 馮端:漫談物理學的過去、現在與未來
    因此他從物理學歷史發展的角度,窺測未來的前景,並表示了物理學有光明的未來。如今,20年過去了,正如馮端先生的預想,物理學正在急速地發展中,而且有更多的未知問題在等著我們。撰文 | 馮端 (南京大學物理系)「物理學的過去、現在和未來」是一個非常大而且重要的題目,也是一個非常難講的題目,特別是涉及物理學的未來,結果往往是貽笑大方。