物理學上的四大神獸

06-18

在科學這座聖殿里，

沒有蠻橫的神獸，

只有馴服的寵物。

引言

神獸出沒的物理界

物理學上有四大神獸，芝諾的烏龜，拉普拉斯獸、麥克斯韋妖、薛定諤的貓。分別對應著微積分、經典力學、熱力學第2定律和量子力學。這四大神獸並不弱於傳說中的青龍白虎朱雀玄武，芝諾的烏龜時空雙修能縮地成寸，拉普拉斯獸明察大道推演萬物，麥克斯韋妖操控萬物逆轉陰陽，薛定諤的貓能製造宇宙超越生死。這四大神獸亦正亦邪，它既給聰明的科學家帶來困擾，也給企圖進化成神的人類指明了道路。

No.1

芝諾的烏龜

出生日期：公元前464

主人：芝諾

門派：先賢哲學

能力：縮地成寸

公元前464年，物理帝國的世紀運動競技開幕，芝諾之龜與海神之子阿喀琉斯賽跑。阿喀琉斯體格健壯，肌肉飽滿，四肢遒勁有力。芝諾之龜短小精悍，豆眼如炬，龜甲結實笨重。芝諾之龜以身體劣勢為由，申請提前奔跑100米。阿喀琉斯深知自己的速度乃是芝諾之龜的十倍，便毫不猶豫地答應了。

比賽開始，當阿喀琉斯追到100米時，烏龜已經向前爬了10米；阿喀琉斯繼續追，而當他追完烏龜爬的10米時，烏龜又已經向前爬了1米；阿喀琉斯只能再追向前面的1米，可烏龜又已經向前爬了1/10米；就這樣，芝諾之龜總能與阿喀琉斯保持一個距離，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！

儘管阿喀琉斯是全人類最頂尖的英雄，但最終敗在芝諾之龜的四條小短腿之下，芝諾之龜從此暴得大名，無人匹敵。不僅在古希臘，同樣智者雲集的東方文明，也對這隻烏龜無可奈何，《莊子·天下篇》中提到：「一尺之棰，日取其半，萬世不竭」，其實也是這隻龜的變種。

在現實世界中，這芝諾的烏龜看起來蠻不講理，因為隨便拉來一隻烏龜，無論它跑多遠，6歲小兒都能追上踩扁它。而且，隨便建立一個簡單的方程組t=s/(v1-v2)還能求出阿喀琉斯追上芝諾之龜的時間。

可物理帝國不一樣，萬事萬物需要嚴密地邏輯推理和證明才能存在。所以，即使我們輕而易舉地求出阿喀琉斯追上烏龜所花的時間，甚至惱羞成怒地踩死它，也仍不能證明他為何能追上。要想滅了它，必須把極限問題解決了。可是從畢達哥拉斯到歐拉的數學大神們，無一人能破解極限問題。因此，這毫無道理的芝諾之龜，以神獸姿態定居物理帝國2000年。

整整兩千年後，數學巨匠萊布尼茨與科學巨匠牛頓隔空修鍊「微積分」，用微積分中的「極限」法門攻破了時空連續性。這讓大英雄阿喀琉斯終於在物理帝國的競技場里，追上芝諾之龜。然而人類對這隻千年老烏龜依然耿耿於懷，從哲學到前沿物理學，人們還常常拿它吵架。

No.2

拉普拉斯獸

出生日期：1814年

主人：拉普拉斯

門派：經典力學

能力：善推演，能知萬物

19世紀初，整個物理世界晴空萬里，牛頓帶來萬物光明，匍匐在老爵爺門下的拉普拉斯宣稱，當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。只要它願意動動手指和眼睛，記錄下某一刻它能知道宇宙中每個原子確切的位置和動量，就能用牛頓的簡潔公式，瞬間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：了解物質前一刻的運動狀態，就可以推出下一刻的運動狀態，把整個宇宙的每一個粒子的運動狀態確定以後，就可以推出下一刻的運動狀態。

拉普拉斯是經典力學在19世紀最厲害的馬前卒，他吸納畢達哥拉斯「萬物皆數」之力，結合天體力學、概率論等思想精華，創造了宏觀經典力學的守護神獸拉普拉斯獸，沉睡在威斯敏斯特大教堂里的祖師爺牛頓高興得合不攏嘴。因為，這說明自己親手建立的經典物理學帝國堅不可摧，無所不能。

可大部分的人類卻沒有這麼高興，如果人類的所有命運都已經被拉普拉斯妖算得清清楚楚，那我們還有什麼活頭？必須得早點弄死它才行，不出一百年，熱力學和量子力學等新理論對其萬箭齊發，以物理學家開爾文以及量子力學的海森堡開始聯手圍剿，這隻無所不能的拉普拉斯妖最終一命嗚呼，和前面那隻千年老烏龜相比，可以算是夭折在了襁褓里。

19世紀，建立在不可逆基礎上的熱力學大行其道，這讓以可逆性作為基石的拉普拉斯妖元氣大傷。20世紀，困擾人類長達百年的雙縫干涉實驗成功證明因果律在微觀世界徹底失效，而海森堡的測不準原理也說明再厲害的神獸也無法看清微觀世界的全部面貌。

更悲傷的是，即使拉普拉斯妖已經徹底死掉，不厚道的人類也不願給這個短命的神獸留下最後的尊嚴。因為，由宇宙最大熵、光速、以及將信息傳送通過一個普朗克長度所需要的時間計算得來，拉普拉斯妖的算力上限已被證實約為10120比特，如此以來，那驚人的算力也不可能在物理帝國存在。

No.3

麥克斯韋妖

出生日期：1871年

主人：麥克斯韋

門派：熱力學

能力：逆轉時空

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像中的救世主，不可能在時空中存在。

不過，資訊理論在熱力學這兒插了一腳後，麥克斯韋妖的存亡之戰愈加精彩。進入21世紀，學界痴迷於研究熵減過程，麥克斯韋妖再現蹤跡。2007年2月發現一種人造麥克斯韋妖，通過「信息擒縱閥」使系統逐漸遠離平衡態，不過，這個人造麥克斯韋妖仍需要光作為能量源。

麥克斯韋妖是科學家眼中真正的救世主，如果它真的存在，那老人可以華髮變成黑髮，宇宙能從熵寂走向重生。從此，覆水可收，破鏡重圓。

No.4

薛定諤之貓

出生日期：1935年

主人：薛定諤

門派：量子力學

能力：超越生死

20世紀，物理帝國妖風四起。一個毫無殺傷力但又難纏的神獸伴隨量子力學空降人間，這神獸誕生於史上最風流的物理學家薛定諤的手上，遂名曰薛定諤之貓。

相比起前面那三個神通廣大的神獸們，薛定諤之貓命運最悲催，它既不能享受吞拿魚味兒的貓罐頭，也沒有貓奴給它獻殷勤，自始至終，它都活在物理帝國的刑場上，並練就了既死又活的本事。這個刑場是一個密室，刑具是鎚子和毒藥瓶，這個鎚子由電子開關控制，而電子開關又由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出阿爾法粒子，觸動電子開關，貓必死無疑。不過，原子核的衰變是隨機事件。儘管人們能精確知道原子核衰變時刻的概率，卻無法判斷它具體何時衰變。所以，儘管薛定諤之貓必死無疑，人們卻無法得知它具體何時死亡。這麼說來，打開密室前，這貓要麼活著，要麼死去。

可事情卻沒這麼簡單，因為，這隻悲摧的貓被賦予了量子世界的特異功能——量子疊加，在這貓身上，宏觀世界的因果律業已坍塌，只剩下一連串的概率波。所以，在被觀測之前，這貓都是既死又活、生死疊加。

雖然薛定諤創造這隻神獸僅是為了方便吃瓜群眾們從宏觀尺度理解量子物理，但它很快成了大家的噩夢，各類解說和研究紛至沓來。1957年，埃弗萊特用「多世界理論」給這隻貓找到了歸宿。他認為，問題並不在於盒子中的放射性原子是否衰變，而在於它既衰變又不衰變。薛定諤之貓是條活生生的生命，在它被觀測那一刻，世界分裂成了兩個版本，在A版本中，貓活著，而B版本中，貓死去。然而，儘管「多世界理論」非常優美，卻被哥本哈根派這個量子力學頭號教派極力打壓，遂鮮為人知。所以，這隻可憐的貓咪，依舊遊盪在人界、地獄之間的灰色空間。

儘管行走於生死邊界的貓從未見過，但實驗室的科學家卻異口同聲地證實他們見過薛定諤之貓的幽靈，你想像不出它活著的樣子，但它卻實際存在。有了微觀世界的真實發現，又有團隊謀劃著把薛定諤之貓徹底帶到宏觀世界，挑戰量子世界的邊界。

可迄今為止，量子理論儘管取得了偉大成就，但它仍然是物理帝國的一團烏雲。也許，只有這兩個世界真正攜手的那一天，薛定諤之貓才能好好地安睡於天堂。

結語

科學當道，神獸已矣

除了這赫赫有名的四大神獸，物理學上還有很多魑魅魍魎，但無論什麼樣的神獸，最終都會被大神賽先生收服。

芝諾的烏龜基本已經死了，微積分的基礎便是建立在它的屍體上。

拉普拉斯獸大約在龐加萊時代就被混沌效應的引入給推翻了，再加上後來的海森堡的臨門一腳，拉普拉斯獸已經逃回威斯特敏斯特教堂為爵爺守靈了。

麥克斯韋妖將資訊理論中的信息量定義與熱力學中的熵聯繫了起來，尋求到了自己新的保護門派。

薛定諤的貓現在還是不知是死是活，躲在量子力派的屋檐下瑟瑟發抖，但大多數科學家喜歡上了這隻寵物。

在科學這座莊嚴的殿堂里，沒有蠻橫的神獸，只有被馴服的寵物。