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

2020-09-22 尼古拉斯憶心


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。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。拉普拉斯要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定律和量子力學一個毫無殺傷力但又難纏的神獸伴隨量子力學空降人間，這神獸誕生於史上最風流的物理學家薛丁格的手上，遂名曰薛丁格之貓。相比起前面那三個神通廣大的神獸們，薛丁格之貓命運最悲催，它既不能享受吞拿魚味兒的貓罐頭，也沒有貓奴給它獻殷勤。自始至終，它都活在物理帝國的刑場上，並練就了既死又活的本事。
  • 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「四大神獸」：除了薛丁格的貓，另外三個是什麼？
    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」。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。
  • 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。麥克斯韋妖，出生日期為1871年，主人是麥克斯韋，所屬門派為熱力學，神通是逆轉時空。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。在1871年，麥克斯韋針對熱力學的不完備性（主要針對熱力學第二定律），提出了著名的麥克斯韋妖。
  • 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。
  • 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！但19世紀，建立在不可逆基礎上的熱力學大行其道，這讓以可逆性作為基石的拉普拉斯妖元氣大傷。20世紀，困擾人類長達百年的雙縫幹涉實驗成功證明因果律在微觀世界徹底失效，而海森堡的測不準原理也說明再厲害的神獸也無法看清微觀世界的全部面貌。
  • 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」:逆轉時空的妖、縮地成寸的龜、推演萬物的獸
    人類歷史長河中，物理學界曾經流行著四大神獸：分別是縮地成寸永遠追不上的芝諾龜，推演萬物未卜先知的拉普拉斯獸，逆轉時空起死回生的麥克斯韋妖和超越因果亦生亦死的薛丁格貓，它們如同鬼魅般，掀起物理學界、哲學界、數學界的軒然大波……芝諾的烏龜
  • 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？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。
  • 物理學隱藏著四大神獸,目前只有兩個被論證,最後一個極難理解
    一提到四大神獸，大家就會想到古代傳說中的朱雀玄武。殊不知在物理學界也流傳著四個不簡單的神獸，其中有真實存在的，也有虛構的，他們身上無一例外都蘊含著物理學奧妙的哲學道理。儘管阿喀琉斯可以提速跑過芝諾龜，甚至一腳踩死他，可是在追求證據和準確實踐的物理學中卻無法超越。阿喀琉斯如何超越芝諾龜的問題整整流傳了2000多年，物理學家牛頓和數學家萊布茨尼創造出微積分後，才終於令阿喀琉斯超越了這隻千年神龜。
  • 物理學四大神獸:追不上的龜 活不久的獸 看不見的妖 不知死活的貓
    物理學出現過四大神獸，它們分別為芝諾的烏龜、拉普拉斯獸、麥克斯韋妖以及薛丁格的貓，而它們所映射的是微積分、經典力學、熱力學第二定律和量子力學等著名理論。這個神獸沒出現多久，就被打敗了。根據這個理論，假設以現在狀態的為依據，如果你現在在上學的路上（現在），發現忘帶鉛筆了（過去的因），是否回家去取（未來的果）。如果拉普拉斯獸存在，它知曉你是否回家取鉛筆。這就很荒謬，取不取鉛筆難道不取決於自己，而是由別人決定。
  • 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！原子有50%的概率衰變，也有50%概率不衰變，那麼請問在打開箱子之前貓是死還是活？如果按照哥本哈根的解釋，在被觀測之前，粒子處於疊加態，那麼這隻貓是否也處於生與死的疊加態？很顯然生死疊加這種狀態是不存在的！
  • 物理學「四大神獸」之薛丁格的貓
    非觀測狀態的放射性元素，處於未衰變和已衰變的疊加態；那只可憐的貓咪，隨之也處於既生又死的疊加態。薛丁格的「貓實驗」，本意是想用貓不可能處於「既死又活」的狀態來否定哥本哈根解釋。誰知道這只可憐的貓咪，卻成了量子力學的絕佳形象代言人。薛丁格的貓，成了物理學的四大神獸之一，赫赫有名，威震八方。
  • 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。
  • 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?
    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。這四個神獸就知名度而言，薛丁格的貓自然是排名第一。
  • 物理學四大神獸——麥克斯韋妖
    麥克斯韋妖物理學上存在著四大神獸——芝諾的烏龜、拉普拉斯精靈、薛丁格的貓和麥克斯韋妖，這四大神獸出現時可把當時的科學家折磨慘了。我們今天主要介紹一下麥克斯韋妖，這個主要是和熱力學第二定律有關。首先我們要先理解溫度的概念，我們初中就已經學過了分子的無規則運動，如果一個物體的溫度越高，那麼它分子運動就會越劇烈，初中的知識告訴我們分子運動快慢是由溫度決定的。