雖然物理學(xué)是一門以科學(xué)嚴謹著稱的學(xué)科，但也有關(guān)于神獸的故事。 這意味著物理學(xué)不僅征服了科學(xué)，還馴服了神獸。
物理學(xué)中有四大神獸，芝諾龜、拉普拉斯獸、麥克斯韋妖、薛定諤貓。 這四只神獸并不弱于青龍、白虎、朱雀、玄武這四大上古神獸，因為它們擁有掌控世界的能力。 能力：芝諾的烏龜可以將地球在時間和空間上縮小到一英寸，拉普拉斯的野獸可以洞察真理并推論萬物，麥克斯韋的惡魔可以控制萬物并顛倒陰陽，薛定諤的貓可以創(chuàng)造一個超越生命的宇宙和死亡。
他們的能力對應(yīng)著不同的物理知識。 芝諾的烏龜對應(yīng)微積分，拉普拉斯的獸對應(yīng)經(jīng)典力學(xué)，麥克斯韋妖對應(yīng)熱力學(xué)第二定律，薛定諤的貓對應(yīng)量子力學(xué)。 你想了解更多他們的故事和相關(guān)物理知識嗎？ 今天，《小主人與四神獸的神奇物理之旅》第一期開播！ 現(xiàn)在讓我們來探索一下物理學(xué)四神獸中的兩只吧！
一天
初級教師走上物理之路
他在走路
遇見了神奇的烏龜
01
芝諾的烏龜
學(xué)校：積分學(xué)
能力：將地面縮小一寸
古希臘數(shù)學(xué)家芝諾（公元前490年-公元前425年）提出了著名的關(guān)于運動不可分性的“芝諾悖論”。 他說：烏龜首先要從起點走到終點的1/2。 距離，然后走完剩下的1/2距離，繼續(xù)走剩下的1/2距離……不斷重復(fù)，你永遠也走不完。
公元前464年，物理帝國世紀體育大賽開幕，芝諾的烏龜與海神波塞冬的兒子阿喀琉斯賽跑。
阿喀琉斯體格強健，肌肉發(fā)達，四肢有力。 芝諾的烏龜又短又瘦，有著圓圓的眼睛和堅固而笨重的龜殼。 芝諾的烏龜因身體劣勢申請?zhí)崆芭?00米。 阿喀琉斯知道自己的速度是芝諾烏龜?shù)氖叮院敛华q豫地答應(yīng)了。
游戲開始
當阿喀琉斯追到100米時，烏龜已經(jīng)向前爬了10米；
阿喀琉斯繼續(xù)追，當他追完烏龜十米時，烏龜又向前爬了一米；
阿喀琉斯只能向前追1米，而烏龜已經(jīng)向前爬了1/10米；
這樣，芝諾的烏龜就可以一直和阿喀琉斯保持一定的距離，無論距離有多小，但只要烏龜不斷地向前爬行，阿喀琉斯就永遠追不上烏龜！
阿喀琉斯雖然是全人類最頂尖的英雄，但最終還是敗給了芝諾烏龜?shù)乃臈l短腿。 芝諾的烏龜從此聲名遠揚，無與倫比。
不僅是古希臘，就連智者云集的東方文明，都對這只烏龜無能為力。 《莊子·天下篇》提到：“棍一足，日取其半，而長存矣”。 其實也是這只烏龜。 變體。
在現(xiàn)實世界中，芝諾的烏龜似乎相當不合理，因為如果你隨機拉一只烏龜，無論它跑多遠，一個6歲的孩子都可以追上并碾碎它。 而且，只需建立一個簡單的方程組t=s/(v1-v2)，也可以計算出阿基里斯追上芝諾烏龜?shù)臅r間。
但物質(zhì)帝國不同。 一切都需要嚴格的邏輯推理和證明才能存在。 因此，即使我們可以很容易地計算出阿喀琉斯追上烏龜，甚至憤怒地踩死它所需的時間，我們?nèi)匀粺o法證明他為什么能追上。
如果我們想摧毀它，就必須解決極限問題。 然而，從畢達哥拉斯到歐拉，偉大的數(shù)學(xué)家中沒有一位能夠破解極限問題。 所以，這只不講理的芝諾龜，以神獸的形式在物質(zhì)帝國定居了兩千多年。
整整兩千多年后，數(shù)學(xué)大師萊布尼茨和科學(xué)大師牛頓在遠處實踐了“微積分”，用微積分中的“極限”方法打破了空間和時間的連續(xù)性。 這讓大英雄阿喀琉斯終于在物理帝國的競技場上追上了烏龜芝諾。
小石和無歸一起路上了2000年
然后他就和烏龜說再見了
然后他在走路的時候遇到了另一只拉普拉斯獸
02
拉普拉斯獸
學(xué)校：經(jīng)典力學(xué)
能力：推論一切
被譽為“將上帝踢出宇宙”的法國物理學(xué)家拉普拉斯提出了廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的拉普拉斯方程。 拉普拉斯以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)提出：如果有一個智者知道我們宇宙誕生之初所有粒子的狀態(tài)，那么他就可以根據(jù)一切定律推導(dǎo)出宇宙任意時刻的狀態(tài)。
19世紀初，整個物理世界都是清晰的。 牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律，給萬物帶來了光明，也讓我們認識到人類有能力找出我們所生活的這個看似混沌的世界的規(guī)律性。爬行在老主門下的拉普拉斯，宣稱當前的客觀世界是過去之果、未來之因。 這個世界上有一種神獸，擁有浩瀚神通，無所不知。 只要它愿意動動手指和眼睛，記錄下宇宙中每一個原子在某一時刻的準確位置和動量，就可以用牛頓的簡單公式瞬間計算出宇宙的過去和未來。
這就是著名的聆聽獸拉普拉斯獸，善于推演，能知曉一切。
拉普拉斯的基本理論是：通過了解物質(zhì)前一時刻的運動狀態(tài)，可以推導(dǎo)出下一時刻的運動狀態(tài)。 確定了整個宇宙中每個粒子的運動狀態(tài)后，就可以推導(dǎo)出下一時刻的運動狀態(tài)。
拉普拉斯是19世紀經(jīng)典力學(xué)最有力的棋子。 他吸收了畢達哥拉斯“一切皆數(shù)”的力量，并與天體力學(xué)、概率論等思想的精髓相結(jié)合，創(chuàng)造了宏觀經(jīng)典力學(xué)的守護神拉普拉斯。 拉斯野獸。
整個19世紀，科學(xué)家們都被這種掌握宇宙所有規(guī)律和細節(jié)的“神獸”所吸引和誘惑。 直到20世紀物理學(xué)四大神獸分別是什么，科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)了混沌現(xiàn)象，徹底擊碎了拉普拉斯準確預(yù)測宇宙的夢想。
1879年，法國物理學(xué)家龐加萊在研究三個物體的動力學(xué)時，原本認為這是一個果斷可積的系統(tǒng)。 由于描述每個物體的運動的方程是確定性的，因此每個物體的運動應(yīng)該是可確定和可預(yù)測的。 但研究結(jié)果表明該系統(tǒng)無法準確求解。 它們的運動軌跡非常混亂，甚至沒有人能夠嘗試畫出這些軌跡。 龐加萊工作的結(jié)論震驚了科學(xué)界，動搖了人們對牛頓理論的一貫看法。
一百年內(nèi)，熱力學(xué)、量子力學(xué)等新理論向它開火，以開爾文、海森堡為首的物理學(xué)家開始聯(lián)手圍剿它。 這個無所不能的拉普拉斯惡魔終于死了。物理學(xué)四大神獸分別是什么，與眼前的千年老龜相比，也算是夭折了。
19世紀，基于不可逆性的熱力學(xué)開始盛行，這嚴重損害了拉普拉斯獸基于可逆性的生命力。 20世紀，困擾人類數(shù)百年的雙縫干涉實驗成功證明了因果律在微觀世界中完全無效，而海森堡的測不準原理也表明，無論神獸多么強大，它無法看到微觀世界的全貌。
更可悲的是，即使拉普拉斯獸徹底死了，不仁慈的人類也不愿意把最后的尊嚴留給這只短命的神獸。
因為，從宇宙最大熵、光速以及通過一個普朗克長度傳輸信息所需的時間來計算，拉普拉斯妖的計算能力上限已被確認約為10,120位。 從此，驚人的算力無法存在于物理帝國之中。
本來，小主人是想用神奇寶貝球來征服拉普拉斯獸。
但拉普拉斯獸死了
小主人有些難過，但還是繼續(xù)前行
然后我又遇到了麥克斯韋妖。
故事尚未結(jié)束，未完待續(xù)
咱們下次來聽聽分解
結(jié)論
本期《小主人與四神獸的神奇物理之旅》到這里就結(jié)束了。 今天你一定收獲很多吧！
芝諾的烏龜基本上已經(jīng)死了；
微積分的基礎(chǔ)是建立
在它的尸體上。
龐加萊時代左右，拉普拉斯獸因混沌效應(yīng)的引入而被推翻。
了解四神獸的故事不僅可以讓你深入了解物理學(xué)的發(fā)展歷史，也可以為你以后的物理課增添素材。 如果你想聽另外兩只神獸的故事，你也想關(guān)注小石的魔法物理。 如果您正在旅行，請繼續(xù)關(guān)注我們下一期的《老師說》！ 和我的小主人一起去見見肉身猛獸吧~
感謝各位前來觀看的大家！
來源
1、物理學(xué)四神獸中，除了“薛定諤的貓”還有誰？
2. 物理學(xué)中的四大神獸是什么？
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三、小妖精的啟示——論物理學(xué)中的“三只小妖精”
[1] 何莎莎，王曉軍． 來自妖精的啟示——論物理學(xué)中的“三個小惡魔”[J]. 物理教師，2014，35(11)：22-24。
結(jié)尾
編輯| 教師協(xié)會學(xué)習部
