物理学“四大神兽”，你知道的有几个呢？

物理学上有四大神兽：

芝诺的乌龟——微积分

拉普拉斯兽——经典力学

麦克斯韦妖——热力学第二定律

薛定谔的猫——量子力学

这四大神兽各有神通：

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

#01 芝诺的乌龟

芝诺的乌龟是一个神奇的悖论：

一个人和乌龟赛跑，但是这个人却永远追不上乌龟。

善于跑步的神阿基里斯速度是每秒10米，乌龟的速度是每秒1米，阿基里斯的速度是乌龟的10倍，但是乌龟先跑出了100米后，阿基里斯才开始追赶，10秒后阿基里斯跑出了100米，乌龟跑出了10米，他们之间距离10米，又过了1秒，阿基里斯跑出了10米，乌龟跑出了1米。在1秒后，阿基里斯就可以追上乌龟。

但是芝诺却提出了这样一个观点：如果时间可以无限分割，那么乌龟就会制造无限个起点，那么阿基里斯永远无法追上乌龟。

这个观点当然是错误的。

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。

#02 拉普拉斯兽

在很早之前，人们一直认为世界是由神创造，由神管理，但是从科学开始兴起之后，越来越多的人开始质疑神明的存在。

法国物理学家拉普拉斯，是号称：“将上帝赶出宇宙”的人，他提出的拉普拉斯方程被广泛应用于各个领域。此外，他还是经典力学的坚定拥护者，也是决定论的支持者。

他认为在宇宙中存在一个恶魔，被称为“拉普拉斯妖”，这个恶魔知道宇宙中每个原子的位置和动量，并且百分百正确。

如果这个恶魔真的存在，那么他就可以把整个宇宙从诞生到灭亡的过程展开，知道一切事情，包括过去和未来。

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。

这是一个基于经典力学的设想。

简单来说，拉普拉斯认为，如果可以知道宇宙中的一切，就可以推导出宇宙的过去和未来，这种观点也被称为“决定论”。但是随着量子力学的出现，科学家发现宇宙的本质很可能是“不确定性”，仅仅是量子物理中的不确定性就可以将“拉普拉斯兽”的设想彻底粉碎。

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，拉普拉斯兽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。

#03 麦克斯韦妖

麦克斯韦妖是科学家詹姆斯·麦克斯韦提出的一种反对“热力学第二定律”的概念，是一种只存在于假想中的“妖”。

热力学第二定律——“熵增定律”。

在一个封闭系统内，“熵”代表了混乱程度的总值，熵越大整个系统中的混乱程度就越高。

例如煤炭的燃烧过程就是一个熵增的过程，从有序的固体转变为热量和气体，从整体来看质能仍然守恒，但是却要更加的混乱。麦克斯韦妖正是为了违反熵增定律而存在的。

当时麦克斯韦意识到自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制。但他无法清晰地说明这种机制。他只能诙谐地假定一种“妖”，能够按照某种秩序和规则把作随机热运动的微粒分配到一定的相格里。麦克斯韦妖是耗散结构的一个雏形。

可以简单的这样描述，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”，容器中的空气分子作无规则热运动时会向门上撞击，“门”可以选择性的将速度较快的分子放入一格，而较慢的分子放入另一格，这样，其中的一格就会比另外一格温度高，可以利用此温差，驱动热机做功。这是第二类永动机的一个范例。

不过“麦克斯韦妖”的构想只是麦克斯韦先生为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的，本身就是一种站不住脚的理论，所以“麦克斯韦妖”在诞生后不就就宣布死亡了。

#04 薛定谔的猫

这应该是现代科学里仅存的“神兽”了，薛定谔的这只猫折磨了人们快一个世纪之久，还是没有一个令人信服的解释。

奥地利物理学家薛定谔提出过一个著名的思想实验——“薛定谔的猫”。

该实验简单地说：一只关在箱子里的猫，箱子里有一瓶毒药，毒药有50%概率被释放，概率取决于量子随机，那么请问，我们不打开箱子时，这只猫是死？还是活？

薛定谔认为，一个随机事件呈现出什么样的形态是有观测者对这个随机事件进行观测的瞬间决定的。换句话说，在有人打开盒子之前，这只猫处在一种既是死的又是活的的一种微妙状态下。

薛定谔奠定了量子物理的基础，“薛定谔的猫”也被视为量子物理的最终Boss。

继薛定谔之后，许许多多的科学家踏上了寻找“薛定谔的猫”的旅途，目前为止，已有不少突破性的进展，希望终有一天，这目前仅存的最后的一只“神兽”会被我们征服吧！

内容来源：忻州师范学院物理系

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