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除了“薛定谔的猫”,物理学四大神兽还有谁?

更新时间:2019-04-14 13:00:08    来源:果壳    

来源丨量子学派(ID:quantumschool)

作者 | 李海芯

物理学四大神兽,除了薛定谔的猫,你还知道几个?

视频合作:天才简史

在科学这座圣殿里,

没有蛮横的神兽,

只有驯服的宠物。

引言

神兽出没的物理界

物理学上有四大神兽,芝诺的乌龟、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖、薛定谔的猫,分别对应着微积分、经典力学、热力学第2定律和量子力学

这四大神兽并不弱于传说中的青龙白虎朱雀玄武,芝诺的乌龟时空双修能缩地成寸,拉普拉斯兽明察大道推演万物,麦克斯韦妖操控万物逆转阴阳,薛定谔的猫能制造宇宙超越生死。

它们亦正亦邪,既给聪明的科学家带来困扰,也给企图进化成神的人类指明了道路。

No.1

芝诺的乌龟

出生日期:公元前464

主人:芝诺

门派:先贤哲学

能力:缩地成寸

公元前464年,物理帝国的世纪运动竞技开幕,芝诺之龟与海神之子阿喀琉斯赛跑。

阿喀琉斯体格健壮,肌肉饱满,四肢遒劲有力。芝诺之龟短小精悍,豆眼如炬,龟甲结实笨重。芝诺之龟以身体劣势为由,申请提前奔跑100米阿喀琉斯深知自己的速度乃是芝诺之龟的十倍,便毫不犹豫地答应了。

比赛开始

当阿喀琉斯追到100米时,乌龟已经向前爬了10米;

阿喀琉斯继续追,而当他追完乌龟爬的10米时,乌龟又已经向前爬了1米;

阿喀琉斯只能再追向前面的1米,可乌龟又已经向前爬了1/10米;

就这样,芝诺之龟总能与阿喀琉斯保持一个距离,不管这个距离有多小,但只要乌龟不停地奋力向前爬,阿喀琉斯就永远也追不上乌龟!

尽管阿喀琉斯是全人类最顶尖的英雄,但最终败在芝诺之龟的四条小短腿之下,芝诺之龟从此暴得大名,无人匹敌。

不仅在古希腊,同样智者云集的东方文明,也对这只乌龟无可奈何,《庄子天下篇》中提到:“一尺之棰,日取其半,万世不竭”,其实也是这只龟的变种。

在现实世界中,这芝诺的乌龟看起来蛮不讲理,因为随便拉来一只乌龟,无论它跑多远,6岁小儿都能追上踩扁它。而且,随便建立一个简单的方程组 t=s/(v1-v2) 还能求出阿喀琉斯追上芝诺之龟的时间。

可物理帝国不一样,万事万物需要严密地逻辑推理和证明才能存在。所以,即使我们轻而易举地求出阿喀琉斯追上乌龟所花的时间,甚至恼羞成怒地踩死它,也仍不能证明他为何能追上。

要想灭了它,必须把极限问题解决了。可是从毕达哥拉斯到欧拉的数学大神们,无一人能破解极限问题。因此,这毫无道理的芝诺之龟,以神兽姿态定居物理帝国2000年。

整整两千年后,数学巨匠莱布尼茨与科学巨匠牛顿隔空修炼“微积分”,用微积分中的“极限”法门攻破了时空连续性。这让大英雄阿喀琉斯终于在物理帝国的竞技场里,追上芝诺之龟。然而人类对这只千年老乌龟依然耿耿于怀,从哲学到前沿物理学,人们还常常拿它吵架。

阿喀琉斯的凯旋 | Franz von Matsch / Wikimedia Commons

No.2

拉普拉斯兽

出生日期:1814年

主人:拉普拉斯

门派:经典力学

能力:善推演,能知万物

19世纪初,整个物理世界晴空万里,牛顿带来万物光明,匍匐在老爵爷门下的拉普拉斯宣称,当下的客观世界是过去的果和未来的因。这世间存在一种神兽,它神通广大、无所不知。只要它愿意动动手指和眼睛,记录下某一刻它能知道宇宙中每个原子确切的位置和动量,就能用牛顿的简洁公式,瞬间算出宇宙的过去与未来。

这就是大名鼎鼎的谛听神兽拉普拉斯,善推演,能知万物

拉普拉斯的基本理论是:了解物质前一刻的运动状态,就可以推出下一刻的运动状态,把整个宇宙的每一个粒子的运动状态确定以后,就可以推出下一刻的运动状态。

拉普拉斯是经典力学在19世纪最厉害的马前卒,他吸纳毕达哥拉斯“万物皆数”之力,结合天体力学、概率论等思想精华,创造了宏观经典力学的守护神兽拉普拉斯兽。

沉睡在威斯敏斯特大教堂里的祖师爷牛顿高兴得合不拢嘴。因为,这说明自己亲手建立的经典物理学帝国坚不可摧,无所不能。

拉普拉斯 |Sophie Feytaud / Wikimedia Commons

可大部分的人类却没有这么高兴,如果人类的所有命运都已经被拉普拉斯妖算得清清楚楚,那我们还有什么活头?必须得早点弄死它才行。

不出一百年,热力学和量子力学等新理论对其万箭齐发,以物理学家开尔文以及量子力学的海森堡开始联手围剿,这只无所不能的拉普拉斯妖最终一命呜呼,和前面那只千年老乌龟相比,可以算是夭折在了襁褓里。

19世纪,建立在不可逆基础上的热力学大行其道,这让以可逆性作为基石的拉普拉斯妖元气大伤。20世纪,困扰人类长达百年的双缝干涉实验成功证明因果律在微观世界彻底失效,而海森堡的测不准原理也说明再厉害的神兽也无法看清微观世界的全部面貌。

更悲伤的是,即使拉普拉斯妖已经彻底死掉,不厚道的人类也不愿给这个短命的神兽留下最后的尊严。

因为,由宇宙最大熵、光速、以及将信息传送通过一个普朗克长度所需要的时间计算得来,拉普拉斯妖的算力上限已被证实约为10120比特。如此以来,那惊人的算力也不可能在物理帝国存在。

No.3

麦克斯韦妖

出生日期:1871年

主人:麦克斯韦

门派:热力学

能力:逆转时空

早在公元1200年,数以千计的科学家痴迷于永动机不能自拔。到了19世纪,热力学蓬勃发展,各类永动机被一一枪毙。这时候,让爱因斯坦都崇拜不已的电磁学大牛麦克斯韦创立了物理学史上第三大神兽麦克斯韦妖。如果这神兽真的存在,或许创立违背热力学第2定律的永动机就不是梦了,走向熵寂的宇宙也有起死回生的可能。

麦克斯韦妖(Maxwell's demon),是在麦克斯韦假想的妖,能探测并控制单个分子运动,麦克斯韦意识到自然界存在着与熵增相拮抗的能量控制机制,但无法清晰说明这种机制,只能诙谐假定一种“妖”。

简单描述,一个绝热容器被分成相等的两格,中间是由“妖”控制的一扇小“门”。麦克斯韦妖个头迷你,没啥特别的本事,但眼神好,反应敏捷,能准确地探测并控制单个分子运动,迅速把快速移动的分子从从左盒丢进右盒,把慢速运动的分子从右盒丢进左盒。因此,这个小盒子不仅左右部分形成了温差,还实现熵的自发减少。

乍一看来,麦克斯韦妖击败热力学第2定理不在话下,同时也让赫一时的“热寂说”也多了一个反对势力。麦克斯韦妖的物理学意义是让混乱变得有序,避免封闭系统变成一潭死水。扩展到现实世界,那此神兽能就能操控万物,逆转阴阳。

麦克斯韦 | Wikimedia Commons

尽管人们希望这带领宇宙违背热力学第2定律的麦氏小妖真的存在,但在纪律森严的物理帝国,心地单纯的麦氏小妖同样命途多舛,它困扰科学家150余年,迄今仍不知是死是活。

20世纪50年代,信息熵的概念被提出。麦克斯韦妖若要实现热力学上的熵减,势必需要获取分子运动的信息;不耗损能量而获得信息是不可能的,因此,在孤立系统中麦克斯韦妖不可能存在。

归根结底,这个兢兢业业的小妖精可能只是人类想象中的救世主,不可能在时空中存在

不过,信息论在热力学这儿插了一脚后,麦克斯韦妖的存亡之战愈加精彩。进入21世纪,学界痴迷于研究熵减过程,麦克斯韦妖再现踪迹。2007年2月发现一种人造麦克斯韦妖,通过“信息擒纵阀”使系统逐渐远离平衡态;不过,这个人造麦克斯韦妖仍需要光作为能量源。

麦克斯韦妖是科学家眼中真正的救世主,如果它真的存在,那老人可以华发变成黑发,宇宙能从熵寂走向重生。从此,覆水可收,破镜重圆。

No.4

薛定谔之猫

出生日期:1935年

主人:薛定谔

门派:量子力学

能力:超越生死

20世纪,物理帝国妖风四起。一个毫无杀伤力但又难缠的神兽伴随量子力学空降人间,这神兽诞生于史上最风流的物理学家薛定谔的手上,遂名曰薛定谔之猫

相比起前面那三个神通广大的神兽们,薛定谔之猫命运最悲催,它既不能享受吞拿鱼味儿的猫罐头,也没有猫奴给它献殷勤。自始至终,它都活在物理帝国的刑场上,并练就了既死又活的本事。

这个刑场是一个密室,刑具是锤子和毒药瓶,这个锤子由电子开关控制,而电子开关又由放射性原子控制。如果原子核衰变,则放出阿尔法粒子,触动电子开关,猫必死无疑。不过,原子核的衰变是随机事件。尽管人们能精确知道原子核衰变时刻的概率,却无法判断它具体何时衰变。

所以,尽管薛定谔之猫必死无疑,人们却无法得知它具体何时死亡。这么说来,打开密室前,这猫要么活着,要么死去。

可事情却没这么简单。因为,这只悲摧的猫被赋予了量子世界的特异功能量子叠加,在这猫身上,宏观世界的因果律业已坍塌,只剩下一连串的概率波。所以,在被观测之前,这猫都是既死又活、生死叠加。

薛定谔 | Wikimedia Commons

虽然薛定谔创造这只神兽仅是为了方便吃瓜群众们从宏观尺度理解量子物理,但它很快成了大家的噩梦,各类解说和研究纷至沓来。

1957年,埃弗莱特用“多世界理论”给这只猫找到了归宿。他认为,问题并不在于盒子中的放射性原子是否衰变,而在于它既衰变又不衰变。薛定谔之猫是条活生生的生命,在它被观测那一刻,世界分裂成了两个版本,在A版本中,猫活着,而B版本中,猫死去。

尽管“多世界理论”非常优美,却被哥本哈根派这个量子力学头号教派极力打压,遂鲜为人知。所以这只可怜的猫咪,依旧游荡在人界、地狱之间的灰色空间。

尽管从未见过行走于生死边界的猫,但实验室的科学家却异口同声地证实他们见过薛定谔之猫的幽灵,你想象不出它活着的样子,但它却实际存在。有了微观世界的真实发现,又有团队谋划着把薛定谔之猫彻底带到宏观世界,挑战量子世界的边界。

可迄今为止,量子理论尽管取得了伟大成就,但它仍然是物理帝国的一团乌云。也许,只有这两个世界真正携手的那一天,薛定谔之猫才能好好地安睡于天堂。

结语

科学当道,神兽已矣

除了这赫赫有名的四大神兽,物理学上还有很多魑魅魍魉,但无论什么样的神兽,最终都会被大神赛先生收服。

芝诺的乌龟基本已经死了,微积分的基础便是建立在它的尸体上。

拉普拉斯兽大约在庞加莱时代就被混沌效应的引入给推翻了,再加上后来的海森堡的临门一脚,拉普拉斯兽已经逃回威斯特敏斯特教堂为爵爷守灵了。

麦克斯韦妖将信息论中的信息量定义与热力学中的熵联系了起来,寻求到了自己新的保护门派。

薛定谔的猫现在还是不知是死是活,躲在量子力派的屋檐下瑟瑟发抖,但大多数科学家喜欢上了这只宠物。

在科学这座庄严的殿堂里,没有蛮横的神兽,只有被驯服的宠物。

本文转自公众号量子学派 - 专注于自然科学领域(数理哲)的内容平台


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