除了薛丁格家「又死又活」的貓,物理學「四大神獸」還有什麼?

2020-12-14 勵新科技

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。又是縮地成存,又是推演萬物,甚至還能逆轉陰陽,逆亂生死。而且它們還充滿邪性,帶給有些科學家一生的困擾。今天就讓小編來帶大家細數一下這四隻「神獸」吧。

1.逆亂生死的「貓妖」——薛丁格的貓

因為此貓誕生在一個風流的物理學家——薛丁格手上,所以也就被賜以名字:薛丁格的貓。這隻貓自出生,就待在一個「刑場」裡,刑場是個密室,裡面有電子開關控制的錘子,也存放著劇毒的毒藥瓶。

該電子開關被放射性原子控制,只要原子衰敗放射出α粒子,錘子就會擊碎毒藥瓶,貓則必死無疑。不過原子核衰變是完全隨機的,所以人們永遠無法知道這隻貓何時會死亡。換句話說,打開密室之前,貓都保持著一種「非死即生」的狀態。而賦予量子疊加的定義後,這隻貓在被觀測之前就變成了「既死又活、生死疊加」的狀態。

2.縮地成寸的「烏龜」——芝諾的烏龜

公元前464年,古希臘的物理學家編了一個故事。說芝諾有一隻烏龜,而海神之子要跟這隻烏龜賽跑。為了表示謙讓,所以讓這隻烏龜提前奔跑了100米。當海神之子追到100米的時候,烏龜已經跑到110米處了。

海神之子就繼續追,當追到110米時,烏龜則到了111米。烏龜每次都能多跑之前距離的10分之1。所以儘管二者可以「無限近」,但海神之子永遠也追不上這隻烏龜。這個故事在中國也有類似的「變種」,《樁子篇》中的「一尺之棰,日取其半,萬世不竭」其實是同樣的道理。

3.推演萬物的「怪獸」——拉普拉斯獸

拉普拉斯是經典力學19世紀最厲害的早期人物之一,他結合天體力學、概率論等思想,創造了宏觀經典力學的守護神獸——拉普拉斯獸。這隻神獸的「原理」是通過記錄所知道的宇宙中的每個原子確切的位置和動量,並用牛頓的簡潔公式,瞬間算出宇宙的過去與未來。

即了解物質前一刻運動狀態,推算下一刻的,如果整個宇宙每一個粒子狀態都能確定,那麼下一刻宇宙的狀態就會被算出。只不過這隻「神獸」不出100年就被幹掉了,且拉普拉斯獸的算力上限被證實為10120比特。所以,假想的驚人算力是不存在的。

4.逆轉陰陽的「妖怪」——麥克斯韋妖

自公元1200年開始,無數的科學家都痴迷於「永動機」無法自拔。到了19世紀熱力學蓬勃發展,而永動機計劃也一一「斃命」。但電磁學大家麥克斯韋創立了「麥克斯韋妖」,如果他的想法是真,那麼違背熱力學第2定律的永動機就是有可能成真的。

麥克斯韋假想這個妖怪存在,並可以控制單個分子運動,所以它只需要把快速移動的分子從左扔到右邊,慢速移動的分子從右扔到左邊,兩邊就會形成溫差,熵也能自發減小。如果這只能逆亂陰陽的妖怪真的存在,那麼擊敗熱力學第2定律不在話下。

可惜困擾科學家150多年,仍得不出一個結果,到了21世紀雖然有科學家發明了迷你的「麥克斯韋妖」,但仍需要光能做為能源。不過科學家仍希望有一天可以找到「它」,因為有了它老人可以變成黑髮,宇宙能得以重生,破鏡可以重圓。

其實除了這「四大神獸」,在物理學乃至科學的殿堂裡,仍有更多神奇的「生物」。它們遲早有一天會被人類所馴服,為人們服務。

相關焦點

  • 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。
  • 什麼是薛丁格的貓,這隻貓到底「害死」了多少人?
    對現今的人生宇宙產生了嚴重的質疑,產生了無限的遐想……那麼什麼是量子力學呢,什麼又是薛丁格的貓呢?為什麼要研究量子力學等,針對這些問題我們一一去理清楚他們的來龍去脈。在量子的世界裡,當盒子處於關閉狀態,整個系統則一直保持不確定性的波態,即貓生死疊加。貓到底是死是活必須在盒子打開後,外部觀測者觀測時,物質以粒子形式表現後才能確定。這項實驗旨在論證量子力學對微觀粒子世界超乎常理的認識和理解,可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理,客觀規律不以人的意志為轉移,貓既活又死違背了邏輯思維。
  • 黑洞、薛丁格的貓與愛因斯坦:量子物理學顛覆的世界
    因為原子的狀態不確定,所以貓的狀態也不確定,只有當我們打開箱子察看,事情才最終定論:要麼貓四腳朝天躺在箱子裡死掉了,要麼它活蹦亂跳地「喵喵」直叫。問題是,當我們沒有打開箱子之前,這隻貓處在什麼狀態?似乎唯一的可能就是,它和我們的原子一樣處在疊加態,這隻貓當時陷於一種死/活的混合。現在就不光光是原子是否幽靈的問題了,現在貓也變成了幽靈。一隻貓同時又是死的又是活的?
  • 量子力學那點事兒華山論劍之二:薛丁格的貓
    薛丁格表示愛因斯坦說的有道理,不過這還不能解薛丁格的心頭之恨,乾脆火上澆油,扔出一隻不死不活的貓來噁心量子學派,這隻貓就是薛丁格送給愛因斯坦的投名狀。薛丁格的貓"薛丁格的貓"假設了這樣一種情況:將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器裡,如果鐳發生衰變,會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子,貓就會死;如果鐳不發生衰變,貓就存活。
  • 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。
  • 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?  比如你有個老婆,你不確定她愛不愛你,這個時候在你的思維中只會有兩個結果,愛或不愛,你不問,這兩個結果永遠存在,科學上把這個稱作《既愛又不愛》,這個也就是對應薛丁格的貓裡的,既死又活的狀態吧。  只有你問了,才會有結果,但是一旦你問你老婆,這個結果就會被決定。而這個結果是由於你提出了問題所導致的,也就是你的提問直接幹預了結果。
  • 「麥克斯韋妖」與「薛丁格的貓」齊名,它有何恐怖之處?
    「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。
  • 薛丁格的貓到底是什麼邏輯呢?
    第一部分@現象篇:"薛丁格的貓"是由早期的奧地利物理學家薛丁格提出的,一個關於貓生死疊加的著名實驗!簡單的說就是:把一隻貓放進一個帶有少量放射性物質的盒子裡,放射性物質有50%的可能發生衰變並且釋放出毒氣殺死這隻貓!相反也有50%不會發生衰變而讓這隻貓存活下來!那麼貓的死活必須是在觀察者打開箱子後才能夠確定!那麼一個小時以後,這隻貓是死還是活呢?第二部分@科學疑惑篇:薛丁格的貓是什麼邏輯?他又想表達什麼呢?
  • 量子糾纏究竟是什麼?著名的科學實驗:薛丁格的貓
    而你一生所有觀察到的日常現象,都是物理學。但是,假設我們探索一個,關於原子物理學的問題,比如氫原子核,它周圍的電子看起來像什麼?我們能根據我們對日常物理的經驗,來回答這個問題嗎?當然不行,為什麼?但是直到我們打開蓋子,才知道ZhaDan是不是爆炸了,但是如果我們沒有打開蓋子,就沒有辦法知道貓是活的,還是死的。在量子物理學中,我們可以說,在我們觀察之前,貓處於「疊加狀態」,也就是說它既不是活的,也不是死的,而是兩種可能性的混合,每種可能性有50%。同樣的事情,也發生在量子尺度的物理系統上,比如電子在氫原子中運行,電子實際上根本不是在軌道上運動。
  • 薛丁格的貓表達了什麼?世界也許不是我們看到的樣子!
    導讀:物理學上有一個著名的實驗——薛丁格的貓!是指將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器裡。鐳的衰變存在機率,如果鐳發生衰變,會觸發機關打碎裝有氰化物的瓶子,貓就會死;如果鐳不發生衰變,貓就存活。根據量子力學理論,由於放射性的鐳處於衰變和沒有衰變兩種狀態的疊加,貓就理應處於死貓和活貓的疊加狀態。這隻既死又活的貓就是所謂的「薛丁格貓」。
  • 塑料行業的四大神獸:PE、PP、PVC和ABS可能會重構人類文明
    作者 | 老馬來源 | 廢塑料新觀察   物理學上有四大神獸。   芝諾的烏龜,拉普拉斯獸、麥克斯韋妖和薛丁格的貓。分別對應著微積分、經典力學、熱力學第2定律和量子力學。   塑料行業也有四大神獸。   PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯) 、PVC(聚氯乙烯 )和ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三種單體的三元共聚物)。
  • 「薛丁格的貓」中究竟蘊含著怎樣的秘密?
    但愛因斯坦認為,這違背了物理學的基本定律。由此,這導致了兩個學派展開長達百年的世紀之戰。為了反駁哥本哈根學派,同樣支持愛因斯坦的薛丁格展開了一個大膽的思想實驗,這就是「薛丁格的貓」。假設,將一個原子設備放入不透明的箱子中,同時箱子裡還有一隻可憐的貓,如果原子衰變,那麼毒氣瓶將被打破,貓就會被毒死,如果原子沒有衰變,那麼貓就會好好的活著,當盒子關閉時,我們看不到內部,所以那個原子處在衰變和不衰變的疊加狀態。因為原子狀態不確定,所以原子他是否打破了毒氣瓶,這也不確定。而毒氣瓶的狀態不確定,就會導致貓的狀態也不確定。只有當我們打開箱子查看,才能確定貓的生死。
  • 薛丁格的貓:科學界最出名的貓,憑一貓之力解釋量子力學!
    今天我們來聊一聊薛丁格的貓。(文章最後有我個人對文章重點的總結,趕時間的話可以直接跳到最後面看總結。)薛丁格的貓可謂是科學界最出名的貓了,因為它憑藉一貓之力,靠著自己的生死為大家解釋了讓人迷惑的量子力學。我們先來說一說到底什麼是薛丁格的貓,它是如何為我們解釋量子力學的。
  • 「薛丁格的貓」究竟有多恐怖,看完改變你對世界的看法
    薛丁格是出生於奧地利的維也納,這是著名的藝術之鄉,它從小就很熱愛於學習,對叔本華的書籍感到很喜歡,在翻閱完叔本華的作品後,從而使得它的一生對色彩理論、東方宗教、哲學產生濃厚的興趣,這樣使得有利於對薛丁格認知的擴大。
  • 西方對「薛丁格的貓」理論感到弔詭之時,佛教卻已踐行了3000年
    1935年,奧地利物理學家薛丁格提出了「薛丁格的貓」的思維實驗及理論,這個實驗在西方社會被認為是量力物理思想層面,非而物質層面的極其有名的理論。這個理論及實驗其實非常簡單:將一隻貓關在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器裡。
  • 薛丁格的貓是什麼?如果其解釋正確,那生命死亡就是生命消失嗎?
    什麼是「薛丁格的貓」?首先我們要知道「薛丁格的貓」它只是以宏觀物質裡的貓為例子,來更好的說明微觀世界裡的物質規律,它對宏觀物質並不適合。1.這也是難以理解的地方,因為宏觀上的物體特點和規律是「確定性」的,認為「貓要麼死,要麼活」。但是將微觀物質的「不確定性」的特點和規律通過這隻貓表達出來以後,這隻貓就是「既可以是死,也可以是活」。
  • 薛丁格的貓的真正意義是什麼?
    薛丁格提出的貓的理想實驗並不是要證明什麼,而是表達對波恩統計解釋的不滿。微觀世界中物質的運動並不能用牛頓力學去描述。德布羅意給出物質波的概念後,德拜對薛丁格說「既然是波,怎能沒有波動方程?」沒想到薛丁格幾個月後真的給出了一個波動方程,這就是大名鼎鼎的薛丁格方程。這個方程能夠很好的描述微觀世界中粒子的運動,其在量子力學中的地位足以和牛頓第二定律在經典力學中的地位相媲美。薛丁格也因這個方程拿到了諾貝爾物理學獎。薛丁格方程不是推導出來的,更像是拼湊出來的。儘管薛丁格方程非常優美地解決了微觀粒子的運動,這方程的背後還有基本的問題困擾著物理學界。
  • 不確定性原理和薛丁格的貓與「觀察者效用」之間有什麼聯繫嗎?
    因此不確定性原理又被稱為測不準原理,這裡更多的強調了外在的作用,這樣看來這個不確定原理貌似沒有那麼高大上了,這不就是經典物理學中的實驗結果別人為或者環境因素所影響嗎?如果不確定原理這樣解釋的話,那麼愛因斯坦也不會和他們論戰了。
  • 量子力學講了什麼?薛丁格的貓是怎麼回事?不懂這些你就落後了
    薛丁格的貓又是怎麼一回事兒呢?目前人類的量子力學研究處於什麼狀態呢?我們這期視頻告訴你。帶你了解量子力學說到量子力學,我們就不得不提到我們熟悉的也是正在運用的叫做經典力學。在經典力學中,有一個顯著的特點,就是確定性。什麼意思呢?
  • 明星大偵探薛丁格的貓是什麼意思 薛丁格的貓出處哪裡
    《明星大偵探》第三季最後一期節目中,撒老師提出薛丁格的貓的想法和白白提出的楚門世界的想法真的腦洞大開,看完之後頭皮發麻,接下來小編會帶大家深入了解一下薛丁格的貓這個理論。  「薛丁格的貓」是由奧地利物理學家薛丁格於1935年提出的有關貓生死疊加的著名思想實驗,是把微觀領域的量子行為擴展到宏觀世界的推演。當時的實驗過程是:在一個盒子裡有一隻貓,以及少量放射性物質。之後,有50%的概率放射性物質將會衰變並釋放出毒氣殺死這隻貓,同時有50%的概率放射性物質不會衰變而貓將活下來。