「麥克斯韋妖」與「薛丁格的貓」齊名,它有何恐怖之處?

2020-12-23 騰訊網

「薛丁格的貓」既是死的又是活的，這是非常令人難以接受的，事實上，這就是薛丁格當年提出這個思想實驗想要達到的目的。薛丁格試圖以這隻「既死又活」的貓讓人們明白，量子力學中的「疊加態」是多麼的荒謬，然而時至今日，薛丁格的貓儼然成為了量子力學的代名詞，這是薛丁格萬萬沒有想到的。

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「麥克斯韋妖」與「薛丁格的貓」齊名，那麼它有何恐怖之處呢？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。

（上圖為麥克斯韋）

空氣的溫度本質上是空氣分子熱運動的激烈程度，這是一種具有統計意義的物理量，當我們說一個封閉容器裡的空氣溫度時，其實指的是這個容器裡空氣分子熱運動的平均速度，實際上對於這個容器裡的每一個空氣分子而言，它們的速度是不一致的，也就是說它們有的快有的慢。

麥克斯韋指出，假設將一個充滿空氣的封閉容器分成兩個區域（A區和B區），並在分界線設置一個一次只能讓一個空氣分子通過的「小門」，再假設這道「小門」有一個生物，這個生物就是所謂的「麥克斯韋妖」，它的本領是能分辨單個空氣分子的快慢程度，並且還能極快地打開或者關閉這道「小門」。

「麥克斯韋妖」要做的事就是，當「小門」A側的某個較快的分子接近「小門」時，它就打開「小門」讓這個快分子移動到B，而當「小門」A側的某個較慢的分子接近「小門」時，則關閉「小門」不允許這個慢分子通過，對於「小門」B側的空氣分子，「麥克斯韋妖」卻反其道而行之。

我們可以看到，在「麥克斯韋妖」的幹預下，這個封閉容器最終會形成一個A區空氣的溫度比B區低的結果。看到這裡，可能有人會說了，這個「麥克斯韋妖」的本領似乎並沒有什麼大不了的，然而事實卻是，如果真有「麥克斯韋妖」，它將會拯救整個宇宙，這是怎麼回事呢？我們接著看。

「熵」的概念是熱力學的主要奠基人克勞修斯（Rudolf Julius Emanuel Clausius）在熱力學第二定律的基礎上提出來的，簡單地講，「熵」就是指一個系統內部的混亂程度，某個特定的系統內部的混亂程度越高，「熵」就越高，反之亦然。

克勞修斯指出，在一個孤立系統中，其實際發生的過程總是會令這個系統的「熵」增加，而對於整個宇宙而言也是這樣。隨著宇宙「熵增」的過程，所有的運動如物理、化學、機械、生命等等都將慢慢地轉變成熱運動，當宇宙的「熵」達到最大的時候，宇宙中的溫度將處處相等，整個宇宙將會一片死寂，再也不會出現任何的變化。

（上圖為克勞修斯）

這就是著名的「宇宙熱寂論」，這個理論告訴我們，在遙遠的未來，宇宙將會是這樣一種令人悲傷的結局，由於有著熱力學定律的支持，該理論得到了很多科學家的認同。

通過前面的介紹，我們知道了「麥克斯韋妖」能夠按空氣分子的熱運動速度，將混亂的空氣分子自動劃分成兩個溫度不同的區域，其本質就是將一個孤立的系統變得更加有序，也就是說「麥克斯韋妖」一點也不恐怖，它所做的事情其實就是這個特定系統的「熵減」過程，它可以有效地避免一個孤立的系統最終變成一潭死水。如果將「麥克斯韋妖」擴大宇宙的層面，那麼整個宇宙就不會像「宇宙熱寂論」所預言的那樣走向終點，從而得到了拯救。

需要注意的是，絕大多數科學家們都認為「麥克斯韋妖」是不存在的，原因很簡單，「麥克斯韋妖」違背了熱力學第二定律，如果真有「麥克斯韋妖」，那就可以做出第二類永動機，而事實上第二類永動機是不可能實現的。然而「麥克斯韋妖」看上去卻似乎無懈可擊，那麼問題出在哪呢？

也許有人會說，「麥克斯韋妖」在開關「小門」的時候會消耗能量，這無疑增加了系統的「熵」，但理論上來講，「麥克斯韋妖」開門「小門」時所需的能量可以非常小，小到幾乎可以忽略不計，因此這種說法不足以反駁「麥克斯韋妖」。

事實上，在1871年麥克斯韋提出這個假設之後的很長一段時間裡，科學家們都為此困惑不已，直到20世紀中葉「信息熵」的概念提出之後，「麥克斯韋妖」才得到了合理的解釋。

該理論認為，信息就是「負熵」，想要獲得信息，就必須產生額外的「熵」，「麥克斯韋妖」依靠信息來幹預系統，如果要獲取信息，就必須要利用某種方式來完成（比如說利用與環境溫度不同光來照亮空氣分子），很明顯這是要消耗能量的，這就說明了在獲取信息的過程中，「麥克斯韋妖」讓這個系統的「熵」增加了，而這個增加的「熵」是永遠不會低於「麥克斯韋妖」在這個系統中減少的熵的。

值得一提的是，雖然孤立系統中的「麥克斯韋妖」已被科學界主流認定為不可能存在的，但是還是有一些科學家對此大感興趣，2007年2月還有科學家提出一種「人造麥克斯韋妖」，試圖利用「信息擒縱閥」來實現孤立系統「熵減」的過程，但由於受困於能量源的問題，這個「人造麥克斯韋妖」最終沒有成功。

好了，今天我們就先講到這裡，歡迎大家關注我們，我們下次再見`

（本文部分圖片來自網絡，如有侵權請與作者聯繫刪除）

相關焦點

  • 【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。
  • 四大神獸,除了「薛丁格的貓」還有誰?
    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。
  • 物理學「四大神獸」之薛丁格的貓
    原子核裂變示意圖一個可能發生衰變的原子核，它可以處於未衰變和已衰變兩種狀態的疊加態。隨著時間延長，或者說經過足夠長的時間，它必然會發生衰變，量子疊加態隨之消失。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。
  • 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。
  • 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!
    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。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？
  • 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。
  • 「薛丁格的貓」究竟有多恐怖?你不知道的物理之神奇
    在薛丁格48歲的時候，他提出了一個理論，直到今天都是有非常多的人去探討的，那就是「薛丁格的貓」。對於這樣的一個理論，薛丁格也做了一個實驗去證明它，薛丁格將一直貓放在了一個密封性非常好，又不透明的一個盒子裡，盒子裡接了一個毒氣裝置。
  • 坤鵬論:物理學神獸之拉普拉斯獸和薛丁格的貓
    今天本來要講薛丁格的「生命以負熵為食」，結果發現它存在值得商榷之處。於是將其暫時放下明天再細說，先講講物理學的四大神獸。因為，在坤鵬論這個系列中，四大神獸出現了三隻，乾脆今天一併都補齊了分享給大家。坤鵬論在《熵這隻時間之矢要將宇宙帶向死寂？》中講了縮地成寸芝諾龜。
  • 薛丁格的什麼貓?
    導語：有那麼一隻貓，它屬於薛丁格，屬於愛因斯坦，屬於物理學史，屬於每一個對量子理論懷有好奇幻想的人。有那麼一隻貓，它屬於薛丁格，屬於愛因斯坦，屬於物理學史，屬於每一個對量子理論懷有好奇幻想的人。它犀利敏捷，直指核心，曾經是物理學界初窺量子世界的一把鑰匙；它簡單易懂，也不擺架子，各行各業的人們都其樂融融地為之辨析爭論，而今已是人們認識量子理論的一個坐標。本文將從這隻貓的由來出發，以這隻貓帶來的種種困惑收尾，與讀者到量子領域一遊。
  • 薛丁格的貓是什麼意思比喻什麼 薛丁格的貓通俗解釋
    薛丁格的貓這句話真的是比較火的，但是還是有很多的人不太清楚這到底是個啥意思，來看看薛丁格的貓比喻什麼？　　薛丁格的貓比喻什麼：　　薛丁格的貓，比喻一件事如果你不去做，它就可能有兩個結果，而一旦你去做了，最後結果就只能有一個，你的參與也直接幹預了結果。
  • 坤鵬論:人類就是麥克斯韋妖
    ——坤鵬論坤鵬論在《熵這隻時間之矢要將宇宙帶向死寂？》、《物理學神獸之拉普拉斯獸和薛丁格的貓》講了物理界的三隻神獸。今天就再好好說說麥克斯韋妖，這個我們就算把四隻神獸收集齊了。該書不僅有專門講熱力學第二定律局限性的章節，他還重新修訂了麥克斯韋妖思想實驗的描述，並提出了它與「熱力學第二定律產生矛盾」的論點。
  • 「薛丁格的貓」揭示了一個細思恐極的真相:意識決定物質
    ，薛丁格的貓的模態並非不能觀測……」朋友在飯桌上的一席話差點嗆到我，我想對他說，你太在意那隻貓的生死了，完全沒有理解這隻與芝諾烏龜，拉普拉斯獸、麥克斯韋妖齊名的物理學界四大神獸對於整個人類科學的意義何在。
  • 為什麼少有人做「薛丁格的貓」這個實驗,是有技術難度嗎?專家給出...
    「薛丁格的貓」是一個許多人耳熟能詳的故事，有些人甚至能夠將它完整地背下來。 然而真正能夠了解這個故事及其背景的人卻並不多，如果你真的希望誰複製這個實驗，去抓只貓來試一試的話，那就說明你真的不懂它。 薛丁格並沒有打算做這個實驗，他甚至不認為這個實驗能夠成功，因為他闡述的是一個悖論，用了當時科學家們最拿手的思想實驗的方式。在薛丁格的貓身上，有強烈的不滿，我們甚至能感覺到些許諷刺。
  • 薛丁格,不只有他的貓,還有他難以啟齒的婚姻關係
    要說起現在最火的神獸——草泥馬，也就是羊駝，可能逐漸都要被這位仁兄的貓給擠下去了，可為什麼說一隻貓是神獸呢？那我們還得從它的主人——薛丁格說起。或許在平常在我們刷一些電視劇的時候，往往都會看到彈幕上或者是評論區裡出現「薛丁格的貓」，在翻看了各種各樣的量子力學解釋之後，以現在網友的具體形容和表達方式，它大約意思就是指一種存在或者是不存在的狀態。
  • 薛丁格的貓,著名的思想實驗,原來我們一直誤解了它設立的初衷!
    在此之前，粒子存在於所謂的狀態疊加中，例如，有50%的機率被導向「向上」，50%的機率被導向「向下」愛因斯坦尤其不喜歡這種優柔寡斷的解釋。他想知道宇宙究竟如何知道有人正在測量某物。薛丁格用他的那隻概念貓強調了玻爾的那種胡說八道。
  • 愛因斯坦和薛丁格是如何合謀殺死那隻貓的?
    在量子理論的所有奇異中，似乎很少有比歐文·薛丁格那著名的關於貓的言論更奇怪的了。它描述了一隻貓被鎖在一個沒有窗戶的盒子裡，還有一些放射性物質。如果放射性物質發生衰變，那麼一個裝置就會釋放一個錘子，錘子會打碎一小瓶毒藥，殺死貓。如果沒有檢測到放射性物質，這隻貓就活了下來。薛丁格虛構了這個可怕的場景來嘲笑他所認為的量子理論的一個可笑的特徵。
  • 風流倜儻薛丁格建立方程 思想實驗虛擬貓糾纏世人
    上述薛丁格方程是「非相對論」的，因為我們是從粒子「非相對論」的能量動量關係出發得到了它。所以，薛丁格方程有一個不足之處：它沒有將狹義相對論的思想包括進去，因而只能用於非相對論的電子，也就是只適用於電子運動速度遠小於光速時的情形。
  • 一隻既死又活的貓——通俗易懂解釋薛丁格的貓原理
    薛丁格的貓是由薛丁格提出的一種理想實驗假說。實驗中，我們在一個封閉不透明的盒子中放置一個放射性原子，一個粒子探測裝置，一隻貓，一個錘子，一個放置劇毒的瓶子。如果放射性原子發生了衰變，粒子探測器就會接收到粒子，發出信號打碎瓶子，貓必死無疑。另一種是粒子不發生衰變，貓活著。然而，實驗不能受光和其他因素的幹擾，所以人們無法查看實驗結果。這樣一來，薛丁格的貓就是一隻既死又活的貓了。人們打開盒子查看是一種宏觀活動，而實驗研究的是微觀現象。打開盒子，就會使微觀和宏觀發生錯亂。
  • 什麼是薛丁格的貓,這隻貓到底「害死」了多少人?
    埃爾溫·薛丁格是奧地利著名的物理學家，1926年薛丁格提出了著名的薛丁格方程，為量子力學奠定了堅實的基礎。1933年埃爾溫·薛丁格因薛丁格方程獲諾貝爾物理學獎。1935年薛丁格提出的有關貓生死疊加的著名思想實驗，也就是薛丁格的貓。他試圖從宏觀尺度闡述微觀尺度的量子疊加原理的問題。
  • 薛丁格的貓是什麼意思,指的是什麼
    在解釋「薛丁格的貓」時，我們先簡單介紹下薛丁格！首先可以聲明的薛丁格不是中國人，薛丁格全名叫埃爾溫·薛丁格，他是奧地利著名的物理學教，1887年8月12日出生於奧地利，父親是英國人，母親是奧地利人，父親是天主教信徒，母親是路德教派的信徒。