物理学中的“四大神兽”

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  为了更好地阐述自己的想法,物理学家喜欢通过讲故事来进行形象的说明。物理学界的“四大神兽”便是这样诞生的,他们分别是芝诺的乌龟、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖和薛定谔的猫。

芝诺的乌龟


  古希腊哲学家芝诺曾讲过这样一个故事:乌龟和阿喀琉斯赛跑。阿喀琉斯身为海洋女神之子,号称希腊第一勇士,身体强壮,奔跑速度比乌龟快十倍。赛跑时,他很有体育精神,让乌龟先跑一百米,然后自己才发力追赶。等到他跑了一百米时,乌龟比他领先十米;等他又追了十米时,乌龟又比他领先了一米。如此反复,阿喀琉斯什么时候能追上这只乌龟呢?在注重严密推理和严谨论证的物理学界,这个问题困扰了物理学家两千年。其实单靠物理学是无法解释清楚这个问题的,因为它涉及数学的极限概念。这个问题一直到微积分这门学科的创立才得到解决。

拉普拉斯兽


  两百年前,法国物理学家拉普拉斯根据牛顿定律,设想宇宙间存在一只神兽,它神通广大,无所不知,它能知道宇宙间每一个原子的位置和动量,并且会通过牛顿的物理公式计算出宇宙的过去和未来。人们管拉普拉斯设想出的这只神兽叫拉普拉斯兽。
  这只“上知五百年,下知五百年”的神兽并没有困扰物理学家很久。1927年,德国物理学家海森堡提出,在微观世界中不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度,也就是说,粒子的状态是不确定的,这就是“不确定性原理”。再厉害的神兽也无法知道微观世界的全部面貌,所以即使在虚拟世界里,洞悉万物的神兽也是不存在的。

麦克斯韦妖


  两个容积相同的水箱,左边的水温40摄氏度,右边的水温60摄氏度。如果两个水箱中的水完全混合,水温将是50摄氏度。英国物理学家麦克斯韦就想:为什么不能是一个20摄氏度,另一个80摄氏度呢?1871年,他设想出一个精灵,它能够探测出分子运动的速度,混合冷热不同的水之后,精灵迅速出击,将运动慢的水分子移到左边,再将运动快的水分子移到右边。这样一来,不就是左边的水温低,右边的水温高了吗?这个精灵被人称作麦克斯韦妖。如果这样的精灵真实存在,创造永动机将成为现实,宇宙的寿命也将会变得无限长。
  在1948年,一个新的学说——信息熵产生了。通过这个学说,人们得知麦克斯韦妖要获知分子运动速度,势必损耗分子的能量。也就是说,在麦克斯韦妖探知和搬运分子的过程中,分子运动速度始终处于不确定状态。所以,麦克斯韦妖是不可能实现它的目标的。

薛定谔的猫


  “活着还是死去?”这个问题让哈姆雷特很头疼。但對“薛定谔的猫”来说,这根本不是事儿,因为这只猫可以“既死又活”。1935年,奥地利量子力学家薛定谔提出了这样一个设想:将一只猫关在装有毒药和少量镭的铁盒子里。如果镭已经发生衰变,触发机关打碎装有毒药的瓶子,猫就会死;如果镭尚未发生衰变,猫就存活。根据量子力学理论,在人们打开盒子观察之前,由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加状态,猫会处于死猫和活猫的叠加状态,也就是说,这只猫既死又活。
  虽然这只猫和砸在牛顿头上的那个苹果一样有名,但显然“既死又活的猫”不像万有引力那样容易理解。要想认识这只猫,我们得先了解一下什么是量子力学。20世纪初,一些物理学家共同创立了量子力学,他们认为微观世界和宏观世界有着很大的不同。比如粒子可以存在于叠加状态中,能同时拥有两个相反的特性。举例来说:生活中我们常说“不是在咖啡馆就是在去咖啡馆的路上”,而在量子力学看来,粒子是可以处于“既在咖啡馆又在路上”的状态。
  物理学中的四大神兽,分别以形象生动的方式阐明了各自提出者的想法,从而引起了人们的极大兴趣。虽然在物理学发展的过程中,有些神兽的“超能力”被证明不可能存在,但是它们也以自己的方式推动了物理学的发展。
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