物理學中有四種“神獸”:芝諾烏龜、拉普拉斯獸、麥克斯韋妖和薛定諤貓。 其中,芝諾的烏龜可以縮小到一英寸,拉普拉斯的野獸可以推演萬物,麥克斯韋的惡魔可以逆轉時空,而薛定諤的貓可以超越生死。 接下來我們就來看看物理四神獸為何如此精彩!
芝諾的烏龜
如果有人問你,如果世界上跑得最快的人和烏龜比賽,誰會贏? 毫無疑問,答案將是人。 如果把這個問題進一步延伸,在百米賽跑中,如果烏龜比人早起跑10米,那么誰會贏呢? 現在我們當然知道最后的冠軍無疑將是人類,但是這個問題給公元前464年古希臘當時最著名的學者帶來了很大的麻煩。
提出這只烏龜的人叫芝諾。 他認為,即使人的速度比烏龜快十倍,當人到達烏龜的起點時,烏龜已經爬了1米; 當人向前跑1米米時,烏龜又爬了0.1米,如此循環下去。 最終,人們永遠追不上烏龜。
不僅如此,在東方世界,同樣的煩惱也存在于智者的心中。 《莊子》曾記載:“一尺杖,日取半,而長存”,與芝諾的烏龜有異曲同工之妙。 。
那么,這只芝諾烏龜真的是無敵的嗎? 想要打敗芝諾烏龜,就必須看透極限問題。 從誕生到此后的2000年,芝諾烏龜始終立于不敗之地,成為物理學史上的第一支“隊伍”。 直到2000年,經典物理學的奠基人牛頓和萊布尼茨發明了微積分,并用微積分這本“武林秘籍”破解了時空的連續性,人們才趕上了芝諾的老烏龜..
拉普拉斯獸
時間來到了19世紀初。 在牛頓的基礎上,經典物理世界的雛形已基本確立,并在其應有的軌道上迅速發展。 正是在這個時候,一位名叫拉普拉斯的科學家提出了這樣的觀點:“我們可以把宇宙當前的狀態視為它過去的結果和未來的原因。如果一個智者能夠知道所有自然運動力的位置并所有自然構成的物體在某個時刻的位置,如果他也能知道所有自然物體的位置,當對這些數據進行分析時,宇宙中最大的物體到最小的粒子的運動將包含在一個簡單的公式中。聰明人物理學四大神獸圖片,沒有什么是模糊的,未來對他來說只是過去。” 這位所謂的智者就是拉普拉斯獸。
根據拉普拉斯獸的“能力”,如果知道當前世界的某種狀態,那么根據牛頓經典力學優美簡潔的公式,就可以清晰完整地計算出世界的過去和未來。 如果我們以一個人為例,從他出生的那一刻起,偉大的拉普拉斯獸就能準確地預測他這一生會經歷什么樣的事情,什么時候結婚生子,什么時候死。 但如果真是這樣的話,我們的奮斗還有意義嗎?
當時的科學家也有這樣的擔憂。 他們堅信人的命運是由自己掌控的而不是所謂的“從出生就注定”,因此他們開始嘗試推翻拉普拉斯獸的力量。
正是海森堡發起了這場針對拉普拉斯獸的運動。 這位量子力學的巨人提出了“測不準原理”,即粒子的速度和位置無法完全精確地測量。 用海森堡自己的話說:“在因果律的陳述中,即‘如果你準確地知道現在,你就可以預測未來’,得出的不是一個結論,而是一個前提。我們無法知道“現在的所有細節。這是一個原則問題。”
如果說海森堡的量子力學只是沉重打擊了拉普拉斯惡魔,使其元氣嚴重受損,那么真正將其送入墳墓的則是美國氣象學家洛倫茲提出的混沌理論。
混沌理論現在更廣為人知的是“蝴蝶效應”。 這只在亞馬遜叢林中揮舞翅膀的蝴蝶可能會在兩周后引發德克薩斯州的龍卷風。 這個理論的核心點是,一個系統的任何微小變化,在被傳播放大之后,都會對整個系統產生巨大的影響,而這恰恰是拉普拉斯獸無法解釋的。
拉普拉斯獸誕生不到一百年,就遭到了量子力學、熱力學、混沌論等多個學派的圍剿。 最終,它只存活了一百年,便消亡了。
麥克斯韋妖
還是在19世紀,在所有科學家癡迷于尋找永動機數百年之后,物理學界的另一只偉大的神獸——麥克斯韋妖,也被視為人類的救世主誕生了。
從能力上來說,麥克斯韋惡魔并不像芝諾的烏龜那樣跑得比誰都快,也不像拉普拉斯獸那樣能夠預測一切。 它唯一的能力就是眼疾手快。
我們假設有一個盒子不與外界進行熱交換。 中間有一塊可以打開和關閉的擋板物理學四大神獸圖片,將箱體分為左右兩部分。 麥克斯韋妖就坐在這個擋板的前面。 它憑借敏銳的眼睛和敏捷的雙手,能夠觀察和控制分子的運動。 麥克斯韋妖從左邊的盒子里撿起運動較快的分子扔進右邊的盒子里,然后再從右邊的盒子里撿起運動較慢的分子。 把它扔到左邊,那么在這個容器中,就會出現自發的熵減少,左右盒子之間就會出現溫差。
麥克斯韋惡魔憑借非凡的眼力和出色的反應能力,成功化混亂為秩序,讓封閉的系統重新煥發了生機。 如果麥克斯韋妖真的出現在現實生活中,那么從此以后,水可以治愈,破鏡可以圓潤,耄耋之年可以返老還童,百病可以治愈。
盡管人類對麥克斯韋妖寄予了美好的希望,但在物理學中,麥克斯韋妖能否存在仍然是一個懸而未決的問題。 20世紀50年代,隨著信息熵的引入,科學界逐漸達成共識:不消耗能量就不可能獲得信息。 這一共識無疑揭示了麥克斯韋妖能否存在于封閉系統中。 答案是否定的。
然而,我們可以通過提供外界的能量來創造一個人造麥克斯韋妖。 2007年,人造麥克斯韋妖誕生,它利用光作為能量,可以逐漸使系統偏離平衡狀態。 雖然它與真正期待的麥克斯韋妖還有一定的差距,但這一發現仍然給正在努力研究和理解熵減過程的科學界注入了一針強心劑。
薛定諤的貓
現在說到薛定諤的貓,大家可能都或多或少的熟悉了,因為它真的是太有名了!
這只誕生在最受歡迎的物理學家薛定諤手中的貓,不僅沒有之前神獸那樣的通天達地的力量,甚至連家貓能享用的最基本的貓罐頭都沒有。 可憐他只能躲在紙箱里,維持著半生半死的狀態,直到有一天紙箱被打開。
對于薛定諤的貓是活著還是死了,物理學界一直有不同的看法。 1957年,埃弗里特提出了一個理論。 他相信薛定諤的貓真的還活著,在盒子打開的那一刻,貓的世界分裂成了兩個同時的世界:在一個世界里,貓還活著,但在另一個世界里,貓死了。
什么,這聽起來是不是很像現在很流行的平行宇宙? 多個世界或宇宙同時存在,互不干擾。 在這些宇宙中,同一個人會發生不同的事情。 這聽起來很美妙,但這個理論卻遭到了量子力學主要流派的強烈壓制。
薛定諤的貓還在那個盒子里,保持著半生半死的不死不活的狀態。 讓我們拭目以待,看看有一天誰能拯救它。
結論
物理學家其實是一群非常有趣的人。 他們總是把遇到的難以克服的科學難題比作兇猛的野獸。 事實上,除了這四只神獸之外,還有很多很多的問題一直困擾著整個物理學界。 但這些問題隨著科學的發展已經一一得到解決。 我們相信,隨著科技的進步和時代的發展,物理世界里將不再有所謂的“神獸”,而只有一代又一代的科學家。 一座由不斷的努力和才華建造而成的輝煌宮殿。
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