物理學「四大神獸」：除了薛丁格的貓，另外三個是什麼？

2020-09-20 火星一號

物理學十分注重實驗，最初的物理學理論就是從實驗中總結而來的。任何物理理論創立之後，都需要經過實驗的反覆驗證。愛因斯坦的相對論提出百年之後，至今還在接受一系列嚴苛實驗的檢驗。

不過，有些實驗在現實中很難實現，所以物理學家提出了思想實驗，包括愛因斯坦、牛頓在內的很多大物理學家都有提出過。雖然只是思想上的實驗，但它們引發人深省，並推動了物理學的發展。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？

這個問題看似是一個簡單的追及問題，只要人的跑動距離等於烏龜的領先距離加上烏龜的爬行距離，就能算出人會在出發後第11.11…（100/9）秒追上烏龜。

然而，如果換個角度來看，結果會完全不一樣。第1秒，人跑了10米，烏龜領先人91米；第5秒，人跑了50米，烏龜領先人55米；第10秒，人跑了100米，烏龜領先人10米；第11秒，人跑了110米，烏龜領先人1米；第11.1秒，人跑了111米，烏龜領先人0.1米。

如果空間能夠無限分割，烏龜和人之間的距離包含了無限多個點。因此，烏龜可以一直在人的前面，儘管只領先了一點。那麼，這是否意味著人永遠也走不完無限多個點來追上烏龜呢？

其實不然。烏龜一開始領先人100米，人跑動100米所需的時間為：

100/10秒=10秒

在這10秒期間，烏龜爬行的距離為：

10×1米=10米

這是10秒後烏龜領先人的距離，人再去追上這10米所需的時間為：

10/10秒=1秒

在這1秒期間，烏龜爬行的距離為：

1×1米=1米

這是1秒後烏龜領先人的距離，人再去追上這1米所需的時間為：

1/10秒=0.1秒

如此無限反覆下去，人追上烏龜的時間為：

10+1+0.1+0.01+0.001+0.0001+…秒=11.11…秒，也就是100/9秒，所以人可以在有限時間內追上烏龜。

（2）薛丁格的貓

根據量子力學的哥本哈根詮釋，在沒有進行觀測時，量子系統是處於不確定的疊加態。一旦進行觀測，波函數坍縮，不確定性消失，量子系統將會變成一種確定的狀態。這樣的描述與我們的常識大相逕庭，而且還會影響宏觀世界。

於是，量子力學奠基人之一的薛丁格提出了這樣的一個思想實驗。在一個密閉的箱子中，放置一塊放射性物質，如果它發生衰變，由此產生的粒子將會觸發蓋革計器放電，通過繼電器釋放出鐵錘，鐵錘掉下來砸破毒藥瓶，引發箱子內的貓死亡。如果放射性物質沒有衰變，箱子內的貓仍然是活著的。

根據哥本哈根詮釋，在沒有打開箱子進行觀測時，放射性物質的衰變是不確定的，處於疊加態，這就會導致箱子內的貓也處於不確定的「又死又活」狀態。這就是著名的薛丁格的貓。

對此，多世界詮釋或者說平行宇宙理論被提出來。箱子內的貓其實既活著，又死了，這會衍生出兩個互不相干的平行宇宙，每條時間線中的觀測者都會觀測到確定的狀態。

（3）麥克斯韋妖

熵增定律表明，孤立系統的有序度只會越來越低，混亂度只會越來越高，這是不可逆轉的過程。舉個例子，水和乙醇混合之後，無法自發地分離出純淨的水和乙醇。由於整個宇宙被認為是孤立系統，這意味著宇宙註定在未來達到熵值最大的熱寂狀態，那時的宇宙將會陷入完全的死寂之中。

但根據著名物理學家麥克斯韋的設想，宇宙或許還有救，這就需要麥克斯韋妖。麥克斯韋妖可以控制每個粒子的運動，意味著這種「神獸」具有逆熵的能力，讓混合後的水和乙醇分子單獨分開，也能讓宇宙中的其他粒子變得更有序，從而扭轉宇宙的熱寂結局。

（4）拉普拉斯妖

這隻「神獸」最初由物理學家、數學家拉普拉斯提出。從微觀上來看，宇宙萬物都是粒子，宇宙的運轉是所有粒子共同運動的結果。拉普拉斯妖知道宇宙中所有粒子的動量和位置，所以宇宙中發生的一切事情都是註定的，而且都能被計算出來。

但隨著量子力學的發展，物理學家意識到微觀世界被不確定性所支配，我們根本不可能同時準確測出一個粒子的動量和位置。另外，根據混沌理論，在我們試圖計算粒子的未來時，我們的計算行為會影響到粒子的運動，這種差異會被逐漸放大，從而導致結果變得不可預測。

最後，如果讓這物理學四大神獸互相掐架，大家覺得誰會贏呢？

相關焦點

  • 除了「薛丁格的貓」,物理學四大神獸還有誰?
    引言神獸出沒的物理界物理學上有四大神獸，芝諾的烏龜、拉普拉斯獸、麥克斯韋妖、薛丁格的貓，分別對應著微積分、經典力學、熱力學第2定律和量子力學這四大神獸並不弱於傳說中的青龍白虎朱雀玄武，芝諾的烏龜時空雙修能縮地成寸，拉普拉斯獸明察大道推演萬物，麥克斯韋妖操控萬物逆轉陰陽，薛丁格的貓能製造宇宙超越生死。它們亦正亦邪，既給聰明的科學家帶來困擾，也給企圖進化成神的人類指明了道路。
  • 物理學上的四大「神獸」,除了薛丁格的貓,你還知道哪幾個?
    物理學是隨著人類社會實踐的發展而產生、形成和發展起來的，它經歷了漫長的發展過程。物理學起始於伽利略和牛頓的年代，現如今的物理學已經成為了一門有眾多分支的基礎科學。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。
  • 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?
    物理學可以說是人類科學的重要組成部分了，對物理學的追溯可以到幾千年前。從最早的阿基米德定律到牛頓的萬有引力定律，然後到愛因斯坦的相對論，最後到玻爾等人的量子力學，人類的物理學經過了幾千年的發現與發展。物理學界也湧現出了一大批的天才物理學家，他們也提出了很多顛覆性的開創性理論。
  • 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,除了薛丁格的貓,你還知道幾個
    物理學有四大神獸，除了我們基本都聽說過的薛丁格的貓，其他三個分別是芝諾的烏龜，拉普拉斯獸，麥克斯韋妖。它們有什麼不同？為什麼我們要稱它們為物理學四大神獸，下面我按照時間順序給大家講一下。就這樣，烏龜會製造出無窮個起點，它總能在起點與自己之間製造出一個距離，不管這個距離有多小，但只要烏龜不停地奮力向前爬，阿基裡斯就永遠也追不上烏龜！在我國古代也有類似的的例子：一尺之棰，日取其半，萬世不竭，這句話出自《莊子 天下篇》。雖然在我們看來，不說阿基裡斯，連我們普通人都能輕鬆追上芝諾的烏龜，可是在物理學上就需要更為嚴謹的邏輯證明。
  • 物理學「四大神獸」之薛丁格的貓
    談到不確定性和量子疊加態，薛丁格同愛因斯坦一樣持反對態度。科學的目的，就是要發現事物的運行規律，準確地把握事物的發展趨勢。量子力學卻搞出了一個「不確定性原理」，意味著科學家像牌桌上的賭徒，只能依靠擲骰子猜數字混日子了。受到原子核衰變的啟發，薛丁格設計了一套假想實驗來嘲笑哥本哈根解釋。
  • 物理學「四大神獸」：除了又死又活的貓，還有扭轉宇宙結局的妖
    雖然只是思想上的實驗，但它們引發人深省，並推動了物理學的發展。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」。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？這個問題看似是一個簡單的追擊問題，只要人的跑動距離等於烏龜的領先距離加上烏龜的爬行距離，就能算出人會在出發後第11.11…（100/9）秒追上烏龜。然而，如果換個角度來看，結果會完全不一樣。
  • 物理學的「四大神獸」
    哈嘍，大家好，我是崽偉，今天我們來講講物理學的四大神獸。四大神獸大家肯定都知道。分別是芝諾的烏龜、拉普拉斯獸、麥克斯韋妖、薛丁格的貓。那麼你們知道它們的定義嗎？那麼人類，什麼時候才能追上烏龜？在注重嚴密的公式和和嚴謹的論證物理學中，這個問題困擾了，物理學家2000年。其實單靠物理學是無法解釋清楚的。因為根據公式算，人類永遠也追不上烏龜，可是在現實中人類不可能追不上烏龜。所以這個問題涉及數學的極限概念，直到微積分這門學科的建立。
  • 物理學上的四大神獸
    在科學這座聖殿裡，沒有蠻橫的神獸，只有馴服的寵物。 引言：神獸出沒的物理界物理學上有四大神獸，芝諾的烏龜，拉普拉斯獸、麥克斯韋妖、薛丁格的貓。分別對應著微積分、經典力學、熱力學第2定律和量子力學。
  • 【物理科普】物理學界的四大神獸,芝諾的烏龜、拉普拉斯獸、麥克斯韋妖、薛丁格的貓.
    物理學上有四大神獸，芝諾的烏龜，拉普拉斯獸、麥克斯韋妖、薛丁格的貓。分別對應著微積分、經典力學、熱力學第二定律和量子力學。這四大神獸並不弱於傳說中的青龍白虎朱雀玄武，芝諾的烏龜時空雙修能縮地成寸，拉普拉斯獸明察大道推演萬物，麥克斯韋妖操控萬物逆轉陰陽，薛丁格的貓能製造宇宙超越生死。這四大神獸亦正亦邪，它既給聰明的科學家帶來困擾，也給企圖進化成神的人類指明了道路。
  • 物理學上的四大神獸,你都知道是什麼嗎?
    人類的物理學經過了幾千年的發現與發展。物理學界也湧現出了一大批的天才物理學家，他們也提出了很多顛覆性的開創性理論。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。今天就和大家說說。
  • 物理學四大神獸你知道嗎?
    物理學上有四大神獸，芝諾的烏龜，拉普拉斯獸、麥克斯韋妖、薛丁格的貓。分別對應著微積分、經典力學、熱力學第2定律和量子力學。這四大神獸並不弱於傳說中的青龍白虎朱雀玄武，芝諾的烏龜時空雙修能縮地成寸，拉普拉斯獸明察大道推演萬物，麥克斯韋妖操控萬物逆轉陰陽，薛丁格的貓能製造宇宙超越生死。
  • 物理中也有四大神獸,個個本領強大
    相信大家都知道，我們中國自古以來就有四大神獸的傳說，這是前人天馬行空的想像力的產物。殊不知，讓我們最頭疼的物理當中，也有四大神獸的存在，那麼接下來我們一起來看看這四大神獸到底是什麼吧。一.超越生死——薛丁格的貓埃爾溫·薛丁格是奧地利物理學家，量子力學奠基人之一，提出了著名的薛丁格方程和薛丁格的貓思想實驗，曾於1933年獲得諾貝爾物理學獎。
  • 薛丁格的貓是什麼?
    薛丁格的貓是物理學的四大神獸之一，並非是指某種動物，而是一種思維實驗。接下來講一下這個實驗的背景故事。二十世紀物理學的兩大支柱相對論和量子力學，大家對相對論比較了解，或者是即使不懂什麼意思但是會經常聽說。
  • 物理學的「四大神獸」,又兇又萌,還有超能力!
    物理學是一個美麗而又令人著迷的學科，它有著四大神獸為其鎮守邊疆。這四大神獸又兇又萌，還個個擁有超能力，讓我們一起來看看吧！麥克斯韋統一了電與磁，和牛頓一起開創了近乎完美的經典物理學時代，以至於使人們認為物理學大廈已經建成，「物理學已經無所作為，往後無非在已知規律的小數點後面加上幾個數字而已。」由此可見麥克斯韋的偉大。
  • 除了薛丁格的貓,物理學的其他三神獸是何,科學家搞定它們了嗎?
    愛因斯坦是「c位」，薛丁格在第三排，位置正好和愛因斯坦對應。這些人對物理學乃至全人類的社會進步，都做出了傑出貢獻。但科學從來都不是一帆風順的，他們起初提出的一些理論是不能夠被其他物理學家普遍接受的，甚至攻擊他們的理論是悖論，無法解釋。這也導致了物理學界有了「四大神獸」，每一個神獸的背後，都是一個看似無法解釋的理論，引起了無數物理學家的探索。
  • 科學史上五大神獸，除了薛丁格的貓，你知道其它四大神獸嗎？
    第一個故事：薛丁格的貓上世紀八十年代某個紅極一時的樂隊有首標題為「恐懼之淚」的歌曲中，有一句歌詞是「薛丁格的貓死在了這個世界」，所以大家都知道薛丁格的貓最終還是死了！這個問題在於一個經典實驗，將微觀的粒子疊加態轉移到了宏觀，而且薛丁格的貓到現在也沒有一個正解。
  • 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!
    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。
  • 物理學之四大神獸(1)——芝諾的烏龜
    物理學史上有著名的四大神獸，分別是芝諾的烏龜，拉普拉斯獸、麥克斯韋妖、薛丁格的貓。
  • 破解物理學四大神獸之薛丁格的貓悖論
    不信請看天才物理學家薛丁格在1935年提出的「薛丁格的貓」悖論。 設想在一個封閉的匣子裡，有一隻活貓及一瓶毒藥。 因為原子核的衰變是隨機事件，物理學家無法知道它在什麼時候衰變。