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物理学四大神兽,除了“薛定谔的猫”还有谁?
信息来源: 新浪科技综合 发布日期:2019-04-25 访问次数: 字号:[ ]

  来源:微信公众号“量子学派”

  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、热力学第二定律和量子力学。

  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。

  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。

  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10^120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。

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