务新漫谈|物理界的四大神兽！

物理·四大神兽

芝诺的乌龟

拉普拉斯兽

麦克斯韦妖

薛定谔的猫

无法超越的千年神兽

芝诺的乌龟

芝诺，古希腊数学家、哲学家，以芝诺悖论著称。芝诺悖论是关于运动的一系列不可分的哲学悖论。现由于量子的发现，这些悖论已经得到解决。

阿基里斯是古希腊神话中一位善于跑步的神明，他在神之中以速度出名。但在芝诺悖论中，他永远追不上一只正常爬行的乌龟。

假如乌龟每秒爬1米，但阿基里斯每秒跑10米。阿基里斯让乌龟先跑100米再出发。当阿基里斯跑完了 100米，乌龟爬行了10米；当阿基里斯跑完这10米，乌龟又跑了1米；当阿基里斯跑完1米，乌龟又跑了1/10米......就这样不断进行下去，阿基里斯总与乌龟相差一定的距离。

这个问题的“寿命”有千年之久。

芝诺本人也知道这是个悖论，在现实生活人是能够轻易超过一个爬行的乌龟的。事实上，芝诺的观点是一个“诡辩”。

从数学上来看，这个悖论的本质是正常时间与芝诺时间两个度量的比较。正常时间流速是一定的持续的，而芝诺时间却是在有限时间段内将时间无限细分，含有极限的概念。这个概念之所以难以证明它的错误，就是因为你进入了芝诺的圈套——用极限解释极限，结果当然就是证明芝诺是正确的。我们从阿基里斯跑完100米后开始计时，你会发现阿基里斯追不上乌龟是因为后面的时间总和为1秒，无限的细分使时间趋向1秒而永远到不了1秒。所以阿基里斯永远追不上。

从物理上看，芝诺悖论的本质是质疑时间的本质，疑惑时间是否存在最小时间间隔。直到量子物理的诞生，这个问题才被解决。

知晓万物的百年神兽

拉普拉斯兽

拉普拉斯，法国分析学家、概率论学家与物理学家，法国科学院院士。他假想一种生物，此生物能知晓宇宙中每个原子确切的位置与动量。

他提出：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。如果知晓宇宙中每一个粒子的运动状态，那就可以算出整个宇宙的过去与未来。

拉普拉斯兽的本质是决定论，认为万物皆由因果关系相连，体现因果律的思想。

但是，拉普拉斯兽的神秘仅困惑人们几百年。在后来的双缝干涉实验中人们证明因果律在微观世界的失效，海森堡的不确定性原理也推翻了这只神兽知晓万物的能力。

逆转时空的百年神兽

麦克斯韦妖

麦克斯韦，英国物理学家、数学家。经典电动力学创始人、统计物理学奠基人之一。

我们先了解热力学第二定律：不可能把热量从低温物体传向高温物体而不引起任何变化。而这只麦克斯韦妖却能实现。麦克斯韦设想：有这么一只妖，它能探测单个分子运动的快慢，能将快速移动的分子与慢速移动的分子左右分开。这样来看，假如将40°的水与60°的水混合后，这只妖就能将其分为20°的水与80°的水。假如真的能这样，我们或许就能逆转阴阳时空了！

但是信息熵概念的提出重创麦克斯韦妖。假若麦克斯韦妖要实现热力学上的熵增，就要获取分子运动信息。不损耗能量而获取信息是不可能的。

薛定谔的猫

超越生死

仍未被驯服的神秘神兽

薛定谔，奥地利物理学家，量子力学奠基人之一，发展了分子生物学。

在四大神兽之中，薛定谔的猫最为出名，它同时也是最为神秘，仍未被驯服的神兽。

薛定谔假设，在一个密闭盒子里放一只猫，里面装有少量镭与氰化物。如果镭衰变，那么就会触动机关打碎装有氰化物的瓶子，猫也就会死亡。如果镭不衰变，猫就会存活。但是，镭的衰变是随机事件，根据量子力学理论，放射性的镭处于衰变与没有衰变两种状态的叠加，则猫也就处于死猫活猫两种状态的叠加。这只既死又活的猫正是薛定谔的猫。但是现实中没有既死又活的猫，我们只有打开盒子才能确定。

这个实验从宏观角度阐述微观尺度的量子叠加原理，巧妙地将微观物质在观测后是以粒子还是以波的形式存在与宏观的猫联系起来。自薛定谔的猫问世之后，延伸出了平行宇宙等物理问题与哲学思考。

务新青年

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编辑 | 吴嘉怡

审核 | 罗瑞霞 戴一鸣 崔嘉熙

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