物理學上的四大神獸

在科學上面有許多有趣的比喻,物理學上就有這麼四大神獸。很多同學都聽說過薛定諤的貓,那麼還有哪三個呢?今天我們來介紹一下。


1、芝諾的烏龜

物理學上的四大神獸

芝諾的烏龜

芝諾(Zeno of Elea)是古希臘著名哲學家、數學家,生於意大利半島南部的埃利亞城邦,他是埃利亞學派的著名哲學家巴門尼德(Parmenides)的學生和朋友。芝諾提出這樣一個悖論:一個人從A點走到B點,要先走完路程的1/2,再走完剩下總路程的1/2,再走完剩下的1/2……”如此循環下去,永遠不能到終點。

更加形象的解釋道:

阿基里斯(又名阿喀琉斯)是古希臘神話中善跑的英雄。在他和烏龜的競賽中,他速度為烏龜十倍,烏龜在前面100米跑,他在後面追,但他不可能追上烏龜。因為在競賽中,追者首先必須到達被追者的出發點,當阿喀琉斯追到100米時,烏龜已經又向前爬了10米,於是,一個新的起點產生了;阿喀琉斯必須繼續追,而當他追到烏龜爬的這10米時,烏龜又已經向前爬了1米,阿喀琉斯只能再追向那個1米。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,阿喀琉斯就永遠也追不上烏龜!

“烏龜” 動得最慢的物體不會被動得最快的物體追上。由於追趕者首先應該達到被追者出發之點,此時被追者已經往前走了一段距離。因此被追者總是在追趕者前面。”

思考一下,這是怎麼回事?

2、拉普拉斯獸

亦稱拉普拉斯妖。拉普拉斯妖(Démon de Laplace)是由法國數學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯於1814年提出的一種科學假設 。此“惡魔”知道宇宙中每個原子確切的位置和動量,能夠使用牛頓定律來展現宇宙事件的整個過程,過去以及未來。

拉普拉斯堅信決定論,他在他的概述論(Essai philosophique sur les probabilités)導論部分寫道:

“我們可以把宇宙現在的狀態視為其過去的果以及未來的因。如果一個智者能知道某一刻所有自然運動的力和所有自然構成的物件的位置,假如他也能夠對這些數據進行分析,那宇宙裡最大的物體到最小的粒子的運動都會包含在一條簡單公式中。對於這智者來說沒有事物會是含糊的,而未來只會像過去般出現在他面前。”

物理學上的四大神獸

聽上去是不是很耳熟?有一種如來佛祖的既視感。拉普拉斯這裡所說的“智者”即後人所謂的拉普拉斯妖。

想了解這個問題,去學物理吧,熱力學統計物理、量子力學歡迎你的探索!

3、麥克斯韋妖

麥克斯韋妖(英語:Maxwell's demon)是在物理學中,假想的能探測並控制單個分子運動的“類人妖”或功能相同的機制,是1871年由英國物理學家麥克斯韋為了說明違反熱力學第二定律的可能性而設想的。麥克斯韋妖又被稱為麥克斯韋精靈。

早在公元1200年,數以千計的科學家痴迷於永動機不能自拔。到了19世紀,熱力學蓬勃發展,各類永動機被一一槍斃。這時候,讓愛因斯坦都崇拜不已的電磁學大牛麥克斯韋創立了物理學史上第三大神獸——麥克斯韋妖。

如果這神獸真的存在,或許創立違背熱力學第2定律的永動機就不是夢了,走向熵寂的宇宙也有起死回生的可能。麥克斯韋妖(Maxwell's demon),是在麥克斯韋假想的妖,能探測並控制單個分子運動,麥克斯韋意識到自然界存在著與熵增相拮抗的能量控制機制,但無法清晰說明這種機制,只能詼諧假定一種“妖”。

簡單描述,一個絕熱容器被分成相等的兩格,中間是由“妖”控制的一扇小“門”,麥克斯韋妖個頭迷你,沒啥特別的本事,但眼神好,反應敏捷,能準確地探測並控制單個分子運動,迅速把快速移動的分子從從左盒丟進右盒,把慢速運動的分子從右盒丟進左盒。因此,這個小盒子不僅左右部分形成了溫差,還實現熵的自發減少。乍一看來,麥克斯韋妖擊敗熱力學第2定理不在話下,同時也讓烜赫一時的“熱寂說”也多了一個反對勢力。麥克斯韋妖的物理學意義是讓混亂變得有序,避免封閉系統變成一潭死水。擴展到現實世界,那此神獸能就能操控萬物,逆轉陰陽。

儘管人們希望這帶領宇宙違背熱力學第2定律的麥氏小妖真的存在,但在紀律森嚴的物理帝國,心地單純的麥氏小妖同樣命途多舛,它困擾科學家150餘年,迄今仍不知是死是活。20世紀50年代,信息熵的概念被提出。麥克斯韋妖若要實現熱力學上的熵減,勢必需要獲取分子運動的信息,不耗損能量而獲得信息是不可能的,因此,在孤立系統中麥克斯韋妖不可能存在。歸根結底,這個兢兢業業的小妖精可能只是人類想象中的救世主,不可能在時空中存在。

4、薛定諤的貓

物理學上的四大神獸

薛定諤

這應該是四大神獸中最為著名的一個。

在量子物理中,認為微觀粒子本身處於波函數定義的所有狀態的疊加態,只有當對該微觀粒子的具體狀態進行測量時,波函數才坍縮到某個特定的值,你才能知道該粒子究竟處於什麼狀態。

這種情況是否在宏觀上也有相應的表現形式呢?薛定諤設計了這樣一個思辨實驗:把一隻貓放進一個不透明的盒子裡,然後把這個盒子連接到一個包含一個放射性原子核和一個裝有有毒氣體的容器的實驗裝置。設想這個放射性原子核在一個小時內有50%的可能性發生衰變。如果發生衰變,它將會發射出一個粒子,而發射出的這個粒子將會觸發這個實驗裝置,打開裝有毒氣的容器,從而殺死這隻貓。根據量子力學,未進行觀察時,這個原子核處於已衰變和未衰變的疊加態,但是,如果在一個小時後把盒子打開,實驗者只能看到“衰變的原子核和死貓”或者“未衰變的原子核和活貓”兩種情況。

這樣一來,微觀上的情況被推廣到了宏觀上!

時至今日,這個問題並沒有被完全解決。但仍然吸引著眾多物理學家前赴後繼地研究。物理學的土地上,還有大片未開墾的處女地,等待後人開發。


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