物理学四大神兽,除了薛定谔的猫,你还知道几个?

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在科学的历史上,有许多有趣的比喻,其中就有四个动物,被调侃为"物理学四大神兽",它们分别是芝诺乌龟、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖和薛定谔的猫。

这篇文章,就让我们来了解一下,这四个"神兽"的来龙去脉。


1、芝诺乌龟

古希腊数学家芝诺(前490年~前425年),针对运动的不可分性提出了著名的"芝诺悖论",说:一只乌龟从起点走到终点,要先走完1/2路程,再走完剩下的1/2路程,继续走完剩下的1/2路程……一直重复下去,永远走不完。

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这个故事的延伸,还有阿基里斯追龟等等,本质上都是一样的。芝诺悖论蕴含了微积分的思想,其深层原理我不在这陈述。

用通俗的语言说,问题在于:无限个数的元素组合,是可以得到有限值的。芝诺悖论中的无限段时间相加,得到的是有限时间,其中数学模型就是收敛级数。如果理解了这点,芝诺乌龟就没有那么神秘。


2、拉普拉斯兽

法国物理学家拉普拉斯,是号称"将上帝赶出宇宙"的人,他提出的拉普拉斯方程广泛应用于各个领域。

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他还是经典力学的坚定拥护者,也是决定论的支持者,基于经典力学,拉普拉斯提出:如果有一个智者,知道我们宇宙之初,所有粒子的状态,那么他就可以根据所有的定律,推算出宇宙任何时间的状态。

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这个智者,就被人们调侃为拉普拉斯兽。

在经典物理学中,一切物质的运动都遵循力学原理,但是近代科学中,尤其是量子力学不确定性原理的出现,一举粉碎了决定论,因为我们连单个粒子的状态都确定不了,何来预言整个宇宙。

但是量子力学也并非唯心,因为量子行为符合薛定谔方程的描述,可以说“量子力学是打了折的决定论”。


3、麦克斯韦妖

麦克斯韦妖是大物理学家麦克斯韦,在1871年,针对热力学提出的一个假想实验。

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要破解麦克斯韦妖,需要明白这只妖区分慢分子和快分子,是需要信息的,而信息的获得,也不可能无劳而获,从而引出信息熵的概念,兰道尔原理在信息熵和能量之间,建立起了严格的限制关系,使得麦克斯韦妖不可能存在。


4、薛定谔的猫

这只猫,把物理学折腾了快一个世纪,到目前都没有让人信服的诠释。

1935年,奥地利物理学家薛定谔,针对量子力学的边界问题,提出了著名的思想实验"薛定谔的猫",该问题直指量子力学在微观和宏观的过渡边界,把微观的不确定性带到了宏观世界。

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该实验简单地说:一只关在箱子里的猫,箱子里有一瓶毒药,毒药有50%概率被释放,概率取决于量子随机,那么请问,我们不打开箱子时,这只猫是死?还是活?

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一般人看来,这算什么问题吗!要么死!要么活!各占一半几率。

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然而,量子力学不这么认为,量子力学诠释在不打开箱子前,猫处于死与活的叠加态。

注意!这里不是数学描述,也不是人类语言的艺术描述,而是量子力学要求猫处于"死"与"活"的叠加,这种叠加是客观且真实地存在的,不是想象出来的!

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当然,这样的诠释很难让人接受,也很难理解,所以目前这个思想实验,还没有得到合理的诠释。


"薛定谔的猫"一词,现已经成为"不确定"的代名词,甚至还有个调侃。

文科生:"如何才能理解薛定谔的猫?"

理科生:"等你找了一个平胸的女朋友,你就会明白了!"

文科生"………………"


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