數(shù)學(xué)學(xué)上有四大神獸,芝諾的兔子、拉普拉斯獸、麥克斯韋妖、薛定諤的貓,分別對應(yīng)著微積分、經(jīng)典熱學(xué)、熱力學(xué)第二定理和量子熱學(xué)。
這四大神獸并不弱于傳說中的青龍白虎朱雀玄武,芝諾的兔子時(shí)空雙修能縮地成寸,拉普拉斯獸明察大街推演萬物,麥克斯韋妖操控萬物逆轉(zhuǎn)陰陽,薛定諤的貓能制造宇宙趕超生死。
它們亦正亦邪,既給聰明的科學(xué)家?guī)砝Щ螅步o試圖進(jìn)化成神的人類指明了公路。
出生日期:公元前464
主人:芝諾
宗派:先輩哲學(xué)
能力:縮地成寸
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公元前464年,化學(xué)帝國的世紀(jì)運(yùn)動競技閉幕,芝諾之龜與海神之子阿喀琉斯賽跑。
阿喀琉斯體格強(qiáng)健,胸肌細(xì)膩,全身渾厚有力。芝諾之龜短小精悍,豆眼如炬,龜甲堅(jiān)固笨重。芝諾之龜以身體劣勢為由,申請?zhí)嵩绫寂?00米。阿喀琉斯深知自己的速率乃是芝諾之龜?shù)氖叮愫敛贿t疑地答應(yīng)了。
賽事開始。
當(dāng)阿喀琉斯追到100米時(shí),金魚早已往前爬了10米;
阿喀琉斯繼續(xù)追,而當(dāng)他追完寄居蟹爬的10米時(shí),青蛙又早已往前爬了1米;
阿喀琉斯只能再追往前面的1米,可寄居蟹又早已往前爬了1/10米;
就這樣,芝諾之龜總能與阿喀琉斯保持一個(gè)距離,不管這個(gè)距離有多小,但只要寄居蟹不停地奮勇往前爬,阿喀琉斯就永遠(yuǎn)也追不上兔子!
雖然阿喀琉斯是全人類最頂級的英雄,但最終敗在芝諾之龜?shù)乃臈l小短腿之下,芝諾之龜自此暴得大名,無人媲美。
除了在古埃及,同樣智者云集的東方文明,也對這只兔子無可怎奈,《莊子·天下篇》中提及:“一尺之棰,日取其半,萬世不竭”,雖然也是這只龜?shù)淖兎N。
在現(xiàn)實(shí)世界中,這芝諾的兔子看上去蠻不講理,由于隨意拉來一只兔子,無論它跑多遠(yuǎn),6歲小兒都能追上踩扁它。并且,隨意構(gòu)建一個(gè)簡單的等式組t=s/(v1-v2)能夠求出阿喀琉斯追上芝諾之龜?shù)臅r(shí)間。
可化學(xué)帝國不一樣,萬事萬物須要嚴(yán)密地邏輯推理和證明能夠存在。所以,雖然我們輕而易舉地求出阿喀琉斯追上兔子所花的時(shí)間,甚至惱羞成怒地踩死它,也仍不能證明他為什么能追上。
要想滅了它,必須把極限問題解決了。而且從畢達(dá)哥拉斯到歐拉的物理高手們,無一人能破解極限問題。因而,這毫無道理的芝諾之龜,以神獸姿態(tài)移居化學(xué)帝國2000年。整整兩千年后,物理巨匠萊布尼茨與科學(xué)巨匠牛頓隔空修練“微積分”,用微積分中的“極限”法門攻占了時(shí)空連續(xù)性。這讓大英雄阿喀琉斯總算在數(shù)學(xué)帝國的競技場里,追上芝諾之龜。但是人類對這只千年老寄居蟹依舊耿耿于懷,從哲學(xué)到前沿?cái)?shù)學(xué)學(xué),人們還經(jīng)常拿它生氣。
出生日期:1814年
主人:拉普拉斯
宗派:精典熱學(xué)
能力:善推演,能知萬物
19世紀(jì)初,整個(gè)數(shù)學(xué)世界晴空萬里,牛頓帶來萬物光明,匍匐在老九爺門下的拉普拉斯聲稱,當(dāng)下的客觀世界是過去的果和未來的因。這世間存在一種神獸,它神通廣大、無所不知。只要它樂意動動腳趾和耳朵,記錄下某一刻它能曉得宇宙中每位原子準(zhǔn)確的位置和動量,才能用牛頓的簡約公式,頓時(shí)算出宇宙的過去與未來。
這就是大名鼎鼎的諦聽神獸拉普拉斯,善推演,能知萬物。
拉普拉斯的基本理論是:了解物質(zhì)前一刻的運(yùn)動狀態(tài),就可以推出下一刻的運(yùn)動狀態(tài),把整個(gè)宇宙的每一個(gè)粒子的運(yùn)動狀態(tài)確定之后,就可以推出下一刻的運(yùn)動狀態(tài)。
拉普拉斯是精典熱學(xué)在19世紀(jì)最厲害的馬前卒,他吸納畢達(dá)哥拉斯“萬物皆數(shù)”之力,結(jié)合天體熱學(xué)、概率論等思想精華,創(chuàng)造了宏觀精典熱學(xué)的守護(hù)神獸拉普拉斯獸。
沉睡在威斯敏斯特大修道院里的祖師爺牛頓高興得合不攏嘴。由于,這說明自己親手構(gòu)建的精典化學(xué)學(xué)帝國堅(jiān)不可摧,無所不能。
可大部份的人類卻沒有那么高興,假如人類的所有命運(yùn)都早已被拉普拉斯妖算得清清楚楚,那我們還有哪些活頭?必須得早點(diǎn)打死它才行。不出一百年,熱力學(xué)和量子熱學(xué)等新理論對其萬箭齊發(fā),以化學(xué)學(xué)家開爾文以及量子熱學(xué)的海森堡開始聯(lián)手剿滅,這只無所不能的拉普拉斯妖最終一命嗚呼,和上面那只千年老兔子相比,可以算是夭亡在了襁褓里。19世紀(jì),構(gòu)建在不可逆基礎(chǔ)上的熱力學(xué)大行其道,這讓以可逆性作為基石的拉普拉斯妖元?dú)獯髠?0世紀(jì),困惑人類歷時(shí)百年的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)成功證明因果律在微觀世界徹底失效,而海森堡的測不準(zhǔn)原理也說明再厲害的神獸也未能認(rèn)清微觀世界的全部面貌。更傷感的是,就算拉普拉斯妖早已徹底跑掉,不厚道的人類也不愿給這個(gè)短命的神獸留下最后的尊嚴(yán)。
由于,由宇宙最大熵、光速、以及將信息傳送通過一個(gè)普朗克寬度所須要的時(shí)間估算得來,拉普拉斯妖的算力上限已被否認(rèn)約為10^120比特,這么以來,那驚人的算力也不可能在數(shù)學(xué)帝國存在。
No.3麥克斯韋妖
出生日期:1871年
主人:麥克斯韋
宗派:熱力學(xué)
能力:逆轉(zhuǎn)時(shí)空
早在公元1200年,數(shù)以千計(jì)的科學(xué)家沉迷于永動機(jī)不能自拔。到了19世紀(jì),熱力學(xué)蓬勃發(fā)展,各種永動機(jī)被一一槍決。這時(shí)侯,讓愛因斯坦都敬仰不已的電磁學(xué)大牛麥克斯韋成立了數(shù)學(xué)學(xué)史上第三大神獸——麥克斯韋妖。倘若這神獸真的存在,其實(shí)成立違反熱力學(xué)第2定理的永動機(jī)就不是夢了,邁向熵寂的宇宙也有起死回生的可能。麥克斯韋妖('sdemon),是在麥克斯韋假想的妖,能偵測并控制單個(gè)分子運(yùn)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(jī)制,但未能清晰說明這些機(jī)制,只能幽默假設(shè)一種“妖”。
簡單描述,一個(gè)絕潛熱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(gè)頭迷你,沒啥非常的能耐,但目光好,反應(yīng)敏捷,能確切地偵測并控制單個(gè)分子運(yùn)動,迅速把快速聯(lián)通的分子從從左盒丟進(jìn)右盒,把慢速運(yùn)動的分子從右盒丟進(jìn)左盒。因而,這個(gè)小袋子除了左右部份產(chǎn)生了溫差,還實(shí)現(xiàn)熵的自發(fā)降低。
乍一看來,麥克斯韋妖打敗熱力學(xué)第2定律不在話下,同時(shí)也讓烜赫一時(shí)的“熱寂說”也多了一個(gè)反對勢力。麥克斯韋妖的化學(xué)學(xué)意義是讓混亂顯得有序,防止封閉系統(tǒng)弄成一潭死水。擴(kuò)充到現(xiàn)實(shí)世界,那此神獸能才能操控萬物,逆轉(zhuǎn)陰陽。雖然人們希望這率領(lǐng)宇宙違反熱力學(xué)第2定理的麥?zhǔn)闲⊙娴拇嬖冢诩o(jì)律肅穆的化學(xué)帝國,心地單純的麥?zhǔn)闲⊙瑯用径噔叮Щ罂茖W(xué)家150余年,迄今仍不知是死是活。
20世紀(jì)50年代,信息熵的概念被提出。麥克斯韋妖若要實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)上的熵減,勢必須要獲取分子運(yùn)動的信息,不損耗能量而獲得信息是不可能的,因而,在孤立系統(tǒng)中麥克斯韋妖不可能存在。
歸根結(jié)底,這個(gè)兢兢業(yè)業(yè)的小妖精可能只是人類想像中的救世主,不可能在時(shí)空中存在。不過,信息論在熱力學(xué)這里插了一腳后,麥克斯韋妖的危亡之戰(zhàn)更加精彩。步入21世紀(jì),學(xué)界沉迷于研究熵減過程,麥克斯韋妖重現(xiàn)蹤跡。2007年2月發(fā)覺一種人造麥克斯韋妖,通過“信息擒縱閥”使系統(tǒng)漸漸遠(yuǎn)離平衡態(tài),不過,這個(gè)人造麥克斯韋妖仍須要光作為能量源。麥克斯韋妖是科學(xué)家眼里真正的救世主,假如它真的存在,那奶奶可以華發(fā)弄成黑發(fā),宇宙能從熵寂邁向重生。自此,覆水可收,破鏡重圓。自此,覆水可收,破鏡重圓。步入21世紀(jì),學(xué)界沉迷于研究熵減過程,麥克斯韋妖重現(xiàn)蹤跡。2007年2月發(fā)覺一種人造麥克斯韋妖,通過“信息擒縱閥”使系統(tǒng)漸漸遠(yuǎn)離平衡態(tài),不過,這個(gè)人造麥克斯韋妖仍須要光作為能量源。####自此,覆水可收,破鏡重圓。自此,覆水可收,破鏡重圓。自此,覆水可收,破鏡重圓。自此,覆水可收,破鏡重圓。
No.4薛定諤之貓
日期:1935年
主人:薛定諤
宗派:量子熱學(xué)
能力:趕超生死
20世紀(jì),數(shù)學(xué)帝國狂風(fēng)四起。一個(gè)毫無殺傷力但又難纏的神獸伴隨量子熱學(xué)空降人間,這神獸誕生于史上最風(fēng)流的化學(xué)學(xué)家薛定諤的手上物理學(xué)四大神獸芝諾的烏龜,遂也稱薛定諤之貓。相比起后面那三個(gè)神通廣大的神獸們,薛定諤之貓命運(yùn)最可悲,它既不能享受吞拿魚味道的貓罐頭,也沒有貓奴給它獻(xiàn)殷勤,自始至終,它都活在數(shù)學(xué)帝國的刑場上,并練就了既死又活的能耐。這神獸誕生于史上最風(fēng)流的化學(xué)學(xué)家薛定諤的手上,遂也稱薛定諤之貓。
這個(gè)刑場是一個(gè)密室,酷刑是錘子和毒藥盒,這個(gè)錘子由電子開關(guān)控制,而電子開關(guān)又由放射性原子控制。假如原子核衰變,則放出阿爾法粒子,打動電子開關(guān),貓必死無疑。不過,原子核的衰變是隨機(jī)風(fēng)波。雖然人們能精確曉得原子核衰變時(shí)刻的機(jī)率,卻難以判定它具體何時(shí)衰變。
所以,雖然薛定諤之貓必死無疑,人們卻難以獲知它具體何時(shí)死亡。如此說來,打開密室前,這貓要么活著,要么死去。可事情卻沒那么簡單,由于,這只悲摧的貓被賦于了量子世界的特異功能——量子疊加,在這貓臉上,宏觀世界的因果律業(yè)已倒塌,只剩下一連串的幾率波。所以,在被觀測之前,這貓都是既死又活、生死疊加。盡管薛定諤創(chuàng)造這只神獸僅是為了便捷吃瓜群眾們從宏觀尺度理解量子化學(xué),但它很快成了你們的惡夢,各種解說和研究紛至沓來。
1957年,埃弗萊特用“多世界理論”給這只貓找到了歸宿。他覺得,問題并不在于袋子中的放射性原子是否衰變,而在于它既衰變又不衰變。薛定諤之貓是條血淋淋的生命,在它被觀測那一刻物理學(xué)四大神獸芝諾的烏龜,世界分裂成了兩個(gè)版本,在A版本中,貓活著,而B版本中,貓死去。
雖然“多世界理論”非常優(yōu)美,卻被阿姆斯特丹派這個(gè)量子熱學(xué)頭號宗派竭力打壓,遂鮮為人知。所以這只可憐的小貓,仍然穿行在人界、地獄之間的白色空間。雖然未曾見過行走于生死邊界的貓,但實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家卻異口同聲地否認(rèn)她們見過薛定諤之貓的幽靈,你想像不出它活著的樣子,但它卻實(shí)際存在。有了微觀世界的真實(shí)發(fā)覺,又有團(tuán)隊(duì)籌謀著把薛定諤之貓徹底帶到宏觀世界,挑戰(zhàn)量子世界的邊界。可迄今為止,量子理論雖然取得了偉大成就,但它依然是化學(xué)帝國的一團(tuán)烏云。顯然,只有這兩個(gè)世界真正牽手的那三天,薛定諤之貓能夠好好地安睡于天堂。
結(jié)語科學(xué)當(dāng)?shù)溃瘾F已矣
不僅這赫赫有名的四大神獸,數(shù)學(xué)學(xué)上還有好多魑魅魍魎,但無論哪些樣的神獸,最終就會被前輩賽先生收服。
芝諾的兔子基本早已死了,微積分的基礎(chǔ)便是構(gòu)建在它的遺體上。
拉普拉斯獸大概在龐加萊時(shí)代就被混沌效應(yīng)的引入給推翻了,再加上后來的海森堡的臨門一腳,拉普拉斯獸早已逃回威斯特敏斯特修道院為九爺守夜了。
麥克斯韋妖將信息論中的信息量定義與熱力學(xué)中的熵聯(lián)系了上去,尋求到了自己新的保護(hù)師門。
薛定諤的貓如今還是不知是死是活,躲在量子力派的房檐下瑟瑟僵硬,但大多數(shù)科學(xué)家喜歡上了這只寵物。
在科學(xué)這座莊重的殿堂里,沒有強(qiáng)橫的神獸,只有被馴服的寵物。