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物理学“四大神兽”，除了薛定谔的猫，其他三大神兽你知道吗？原创2022-04-28 17:53·魅力科学君“薛定谔的猫”是物理学家埃尔温·薛定谔提出的一个思想实验，根据他的设想，一只猫被关进了一个与外界完全隔绝的箱子里，这个箱子里有一个能释放有毒物质的装置，以及一个衰变概率为50%的粒子，一旦这个粒子发生衰变，那么箱子里的装置就会立刻把有毒物质释放出来，导致箱子里的猫死去。量子力学的哥本哈根诠释认为，一个量子系统在未被观测的情况下处于一种不确定的叠加态，而一旦该量子系统被观测了，其叠加态就会坍塌，其状态也就确定了。薛定谔指出，如果该理论是正确的，那么箱子里的粒子就处于一种“既衰变了又没有衰变”的叠加态，由于粒子的衰变与否与猫的生死有着确定的关系，因此就可以得出一个奇怪的结论，即：在箱子没有打开之前，箱子里的猫处于一种“既死又活”的叠加态。很明显，这只“既死又活”的猫是令人难以接受的，实际上，薛定谔正是想通过这个思想实验来告诉人们，所谓的叠加态有多离谱，然而令他意想不到的是，时至今日，这只猫俨然已成为了量子力学的“形象代言猫”。薛定谔的猫也被人们戏称为物理学的“神兽”，不过它并不是唯一获此称号的，其实薛定谔的猫只是物理学“四大神兽”之一，那其他三大神兽你知道吗？实际上，除了薛定谔的猫之外，其他的三大神兽分别是“拉普拉斯妖”、“芝诺龟”和“麦克斯韦妖”，下面我们就来分别了解一下。拉普拉斯妖“拉普拉斯妖”由物理学家、数学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯提出，他认为宇宙是遵从因果律的，现在的宇宙其实是未来的宇宙的“因”，也是过去的宇宙的“果”。在这种情况下，假如有一只“神兽”能够获取到现在的宇宙中所有自然运动的力、以及所有自然构成的物件的全部信息，并且能够对其进行分析处理，那么它就可以知道宇宙的一切，从最小的粒子到最大的结构，无论是过去还是未来，全都清清楚楚、明明白白。这只能够洞悉一切的“神兽”就被称为拉普拉斯妖，如果它真的存在，就意味着宇宙的一切都早已注定，不得不说，这是令人无法接受的。幸运的是，随后出现的“混沌理论”基本上否定了一个可预知的宇宙存在的可能性，而量子力学中描述的微观世界的不确定性，更是让拉普拉斯妖存在的可能性变得微乎其微。芝诺龟“芝诺龟”是由古希腊数学家、哲学家芝诺提出，这只“神兽”的特异之处就是，虽然它的行动速度比你慢得多，但是如果你让它先跑的话，那你就永远追不上它。如上图所示，假设你的速度比“芝诺龟”快，现在你让“芝诺龟”先跑，当它跑到了位置B的时候你才开始追，那么当你追到位置B的时候，那么“芝诺龟”就跑到了位置C，现在你继续追，当你追到位置C的时候，“芝诺龟”又跑到位置D，而当你追到位置D的时候，“芝诺龟”又跑到了位置E……芝诺指出，由于“芝诺龟”在持续前进，因此当你每次追到“芝诺龟”在上一次的位置时，它的实际位置总是会位于这个位置的前面一点，就这样，尽管你与“芝诺龟”之间的距离一直在缩短，但你却永远都追不上它。可以看到，“芝诺龟”其实是一个悖论，毕竟在现实世界中，根本不可能发生这种事情，尽管如此，人们也很难对其进行反驳，实际上，直到微积分出现之后，人们才可以从理论上来严谨地证明“芝诺龟”并不存在。麦克斯韦妖“麦克斯韦妖”来自经典电动力学的创始人、物理学家詹姆斯·克拉克·提出的思想实验，在了解这只“神兽”之前，我们有必要简单介绍一下“温度”这个物理量到底是怎么回事。从微观角度来讲，温度是指物体内部的微观粒子热运动的激烈程度，微观粒子的热运动速度越高，温度也就越高。需要注意的是，温度其实是大量微观粒子的集体表现，是具有统计意义的，所以当我们说一团空气的温度时，其实是指这团空气中的空气分子热运动的平均速度，而对于这团空气中的单个空气分子而言，它们的热运动速度并不一样，具体表现为有的速度快，有的速度慢（如下图所示）。麦克斯韦提出的设想是，假设有一个封闭的容器，其中充满了空气，现在把这个容器分成A和B两个区域，并在这两个区域之间设置一个可以开关的通道，这个通道非常小，每次只能允许一个空气分子通过，由一个能够识别出单个空气分子热运动的“快”与“慢”的生物来进行控制。这个生物所做的事情就是，当A区域中的一个空气分子接近通道时，如果这个空气分子的速度较快，那就打开通道，让它移动到B区域，如果这个空气分子速度较慢，那就关闭通道，不允许它移动到B区域，而对于B区域中的空气分子则反过来做，即：如果空气分子的速度较慢就允许通过，速度较快则不允许通过。这个生物就被称为“麦克斯韦妖”，可以看到，在它的操控下，A区域中速度较快的空气分子就会不断地向B区域聚集，与此同时，B区域中速度较慢的空气分子也会持续地向A区域转移，随着这个过程的持续，最终就会形成一个“A区域温度低、B区域温度高”的结果。麦克斯韦认为，从理论上来讲，“麦克斯韦妖”控制通道所消耗的能量可以非常小，以至于与单个空气分子的动能相比都可以忽略不计，如果真是这样的话，那么上述的过程就可以认为是违背了热力学第二定律。要知道如果热力学第二定律真的可以违背，就意味着第二类永动机是可以实现的，所以科学界普遍认为“麦克斯韦妖”是不可能存在的。尽管如此，还是有一些研究者对此非常感兴趣，并试图在实验中创造出“人工麦克斯韦妖”，但迄今为止，这一类的实验都没有成功过。结语总而言之，物理学“四大神兽”其实都只存在于思想实验之中，它们的提出有助于相关理论的发展与完善，可以想象的是，随着人类科学的持续进步，未来还可能有更多类似的“神兽”出现。好了，今天我们就先讲到这里，欢迎大家关注我们，我们下次再见。（本文部分图片来自网络，如有侵权请与作者联系删除）
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