物理學四大神獸,除了薛定諤的貓,你還知道幾個?
在科學的歷史上,有許多有趣的比喻,其中就有四個動物,被調侃為""物理學四大神獸"",它們分別是芝諾烏龜、拉普拉斯獸、麥克斯韋妖和薛定諤的貓。
這篇文章,就讓我們來了解一下,這四個""神獸""的來龍去脈。
1、芝諾烏龜
古希臘數學家芝諾(前490年~前425年),針對運動的不可分性提出了著名的""芝諾悖論"",說:一隻烏龜從起點走到終點,要先走完1/2路程,再走完剩下的1/2路程,繼續走完剩下的1/2路程……一直重複下去,永遠走不完。
這個故事的延伸,還有阿基里斯追龜等等,本質上都是一樣的。芝諾悖論蘊含了微積分的思想,其深層原理我不在這陳述。
用通俗的語言說,問題在於:無限個數的元素組合,是可以得到有限值的。芝諾悖論中的無限段時間相加,得到的是有限時間,其中數學模型就是收斂級數。如果理解了這點,芝諾烏龜就沒有那麼神秘。
2、拉普拉斯獸
法國物理學家拉普拉斯,是號稱""將上帝趕出宇宙""的人,他提出的拉普拉斯方程廣泛應用於各個領域。
三維形式的拉普拉斯方程:
他還是經典力學的堅定擁護者,也是決定論的支持者,基於經典力學,拉普拉斯提出:如果有一個智者,知道我們宇宙之初,所有粒子的狀態,那麼他就可以根據所有的定律,推算出宇宙任何時間的狀態。
這個智者,就被人們調侃為拉普拉斯獸。
在經典物理學中,一切物質的運動都遵循力學原理,但是近代科學中,尤其是量子力學不確定性原理的出現,一舉粉碎了決定論,因為我們連單個粒子的狀態都確定不了,何來預言整個宇宙。
但是量子力學也並非唯心,因為量子行為符合薛定諤方程的描述,可以說「量子力學是打了折的決定論」。
3、麥克斯韋妖
麥克斯韋妖是大物理學家麥克斯韋,在1871年,針對熱力學提出的一個假想實驗。
麥克斯韋妖(英語:Maxwell""s demon)是在物理學中,假想的能探測並控制單個分子運動的「類人妖」或功能相同的機制,是1871年由19世紀英國物理學家麥克斯韋為了說明違反熱力學第二定律的可能性而設想的。麥克斯韋妖又被稱為麥克斯韋精靈。
要破解麥克斯韋妖,需要明白這隻妖區分慢分子和快分子,是需要信息的,而信息的獲得,也不可能無勞而獲,從而引出信息熵的概念,蘭道爾原理在信息熵和能量之間,建立起了嚴格的限制關係,使得麥克斯韋妖不可能存在。
4、薛定諤的貓
這隻貓,把物理學折騰了快一個世紀,到目前都沒有讓人信服的詮釋。
1935年,奧地利物理學家薛定諤,針對量子力學的邊界問題,提出了著名的思想實驗""薛定諤的貓"",該問題直指量子力學在微觀和宏觀的過渡邊界,把微觀的不確定性帶到了宏觀世界。
該實驗簡單地說:一隻關在箱子里的貓,箱子里有一瓶毒藥,毒藥有50%概率被釋放,概率取決於量子隨機,那麼請問,我們不打開箱子時,這隻貓是死?還是活?
一般人看來,這算什麼問題嗎!要麼死!要麼活!各佔一半幾率。
然而,量子力學不這麼認為,量子力學詮釋在不打開箱子前,貓處於死與活的疊加態。
注意!這裡不是數學描述,也不是人類語言的藝術描述,而是量子力學要求貓處於""死""與""活""的疊加,這種疊加是客觀且真實地存在的,不是想像出來的!
當然,這樣的詮釋很難讓人接受,也很難理解,所以目前這個思想實驗,還沒有得到合理的詮釋。
""薛定諤的貓""一詞,現已經成為""不確定""的代名詞,甚至還有個調侃。
文科生:""如何才能理解薛定諤的貓?""
理科生:""等你找了一個平胸的女朋友,你就會明白了!""
文科生""………………""
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