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物理学十大悖论有哪些类型(物理学十大悖论)

物理学十大悖论有哪些类型(物理学十大悖论)麦克斯韦首先意识到自然界可能存在某种熵减小的过程,于是提出了一个思想实验,设想一个存在物——麦克斯韦妖,它的能力是可以探测分子的速度。首先将一个绝热的盒子用一个绝热的隔板分成两半,隔板上有一个“暗门”,然后“妖”控制“门”将运动速度较快的分子放入一侧,而较慢的分子放入另一侧,如此一来,其中的一侧就会比另外一侧温度高,从而违背热力学第二定律。热力学第二定律:热量不能自发地从低温物体转移到高温物体,即一切变化总是向熵增大的方向进行(熵增原理)奥伯斯佯谬的关键在于宇宙大爆炸,由于时间有过一个可怕的爆炸中的开端,所以恒星发光的时间不可能比宇宙的年龄(138亿年)更久,其次因为空间膨胀引起的红移,可见光都成为了肉眼看不见的宇宙微波辐射(2.7k的黑体辐射)。梨子宇宙:当沿着事件的光锥回溯过去,由于质量的弯曲,光线会往相反方向弯折,光锥的截面在有限的时间内缩小至零尺度——奇点。因此,我们过去的宇宙是梨

在物理学中,一个悖论可能引发一场科学革命。——米格达尔

物理学十大悖论有哪些类型(物理学十大悖论)(1)

芝诺悖论

阿基里斯永远追不上乌龟。因为阿基里斯首先要到达乌龟出发的起点,此时乌龟会向前走一段路,于是他又必须赶上这段路,而乌龟又向前走了一段路,虽然愈追愈近,但是始终追不上它。

芝诺悖论的关键在于无限可分性,通常用微积分原理解释,即无限数量的积分可以存在极限值,例如收敛的无穷级数1 1/2 1/4 1/8 ...→2,所以无限可分的时间(距离)之和不等于无限时间(距离)。当然,量子力学已经揭示了世界的离散性,最小的时间是普朗克时间5.39*10^-44s,最短的距离是普朗克长度1.62*10^-35m,自然也就不存在芝诺悖论了。

奥伯斯佯谬

若宇宙是稳定而无限的,则晚上应该是光亮而不是黑暗的。

物理学十大悖论有哪些类型(物理学十大悖论)(2)

奥伯斯佯谬的关键在于宇宙大爆炸,由于时间有过一个可怕的爆炸中的开端,所以恒星发光的时间不可能比宇宙的年龄(138亿年)更久,其次因为空间膨胀引起的红移,可见光都成为了肉眼看不见的宇宙微波辐射(2.7k的黑体辐射)。

梨子宇宙:当沿着事件的光锥回溯过去,由于质量的弯曲,光线会往相反方向弯折,光锥的截面在有限的时间内缩小至零尺度——奇点。因此,我们过去的宇宙是梨子形状的。

物理学十大悖论有哪些类型(物理学十大悖论)(3)

麦克斯韦妖

麦克斯韦作为热力学第二定律的破坏者,提出了一个假定的存在物,近一个世纪以来,它占据了许多杰出科学家的心。——爱伦伯格

物理学十大悖论有哪些类型(物理学十大悖论)(4)

热力学第二定律:热量不能自发地从低温物体转移到高温物体,即一切变化总是向熵增大的方向进行(熵增原理)

麦克斯韦首先意识到自然界可能存在某种熵减小的过程,于是提出了一个思想实验,设想一个存在物——麦克斯韦妖,它的能力是可以探测分子的速度。首先将一个绝热的盒子用一个绝热的隔板分成两半,隔板上有一个“暗门”,然后“妖”控制“门”将运动速度较快的分子放入一侧,而较慢的分子放入另一侧,如此一来,其中的一侧就会比另外一侧温度高,从而违背热力学第二定律。

物理学十大悖论有哪些类型(物理学十大悖论)(5)

麦克斯韦妖的关键在于信息熵(S=∑pln1/p)和热力学熵(S=klnΩ)在本质上是一致的,热力学熵的减少等于信息熵的增加。假设麦克斯韦妖真的存在,那么它观察分子速度及获取信息的过程必然增加了信息熵,同时产生额外的能量消耗,也就是说,包括麦克斯韦妖和容器在内的系统总熵还是增加的,并不违反热力学第二定律。

EPR佯谬

物理学十大悖论有哪些类型(物理学十大悖论)(6)

1935年,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森三人提出了“定域实在论”:一个完备的理论系统应当包含所有的物理实在元素,对于两个分开且没有相互作用的粒子,对其中一个的测量必定不能修改关于另一个的描述。

但是他们通过对量子力学的计算发现,由两个粒子组成的一维系统中,虽然单粒子的坐标和动量算符不对易,但双粒子的坐标算符 x1-x2和动量算符p1 p2对易。因此可以存在一个双粒子叠加态,是算符 x1-x2和p1 p2的共同本征态。即:

(x1-x2)ψ(AB)=aψ(AB)

(p1 p2)ψ(AB)=0

以上正是量子纠缠的重要内容,然而爱因斯坦却得出结论:量子力学不符合定域实在论。这就是所谓的EPR佯谬。

物理学十大悖论有哪些类型(物理学十大悖论)(7)

EPR佯谬的关键在于量子纠缠的非定域性,科学家通过实验证明了贝尔不等式P(xz)-P(zy)|≤ 1 P(xy)不成立,量子力学确实是不完备的,而现实也是非定域性的。

每个时代都有其神话,相信的人多了,就称之为至高的真理。

在科学之路上,这个时代的谬误也可能是下个时代的真理。

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