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深度物理定义(深度物理学的四大)

深度物理定义(深度物理学的四大)当时的科学家也有这样的担忧,他们坚信人的命运由自己操控而不是所谓的“从生下来就注定了”,于是他们纷纷开始试图推翻拉普拉斯兽的伟力。按照拉普拉斯兽的“本领”,如果知道了现在世界的某个状态,那么按照牛顿经典力学那优美而又简洁的公式,这个世界的过去和未来就能被清晰且完整的计算出来。如果拿一个人举例,从他刚出生,伟大的拉普拉斯兽就可以准确地预测他这一生会经历什么样的事情,什么时候结婚生子,又什么时候寿终正寝,可要真的是这样,我们的奋斗还有意思吗?不仅如此,在东方世界,同样的困扰也存在于那些智者心头,《庄子》中就曾经记载:“一尺之棰,日取其半,万世不竭”,和芝诺的乌龟有异曲同工之妙。那么,这只芝诺的乌龟就真的不会被打败了吗?要想战胜芝诺的乌龟,就要看破极限的问题,而从诞生到其后的2000年,芝诺的乌龟始终坚挺地立于不败之地,成为了物理学历史上第一支出现的“神兽”。直到2000年后,经典物理学的奠基人

上古时代古人夜观天象,将黄道附近区域的星象划为二十八星宿,按照方位和季节将这二十八星宿划为东、西、南、北四宫,每宫七宿。又将这四宫各自按照其中星星的分布连缀想象为四种动物,分别是:青龙、白虎、朱雀、玄武,曾被认为是“天之四灵,以正四方”。这也是我国古代神话故事和文学作品中四方神兽的由来,但是你知道吗,在自然界最基础的科学之一——物理学中,也有着四大“神兽”,你又知道几个呢?

深度物理定义(深度物理学的四大)(1)

在物理学中,有这样四大“神兽”:芝诺的乌龟,拉普拉斯兽、麦克斯韦妖和薛定谔的猫,在这其中芝诺的乌龟能够缩地成寸,拉普拉斯兽能推演万物,麦克斯韦妖能逆转时空,而薛定谔的猫则能超越生死。下面,就让我们一起看看物理学的四大神兽到底为什么这么奇妙吧!

芝诺的乌龟

如果有人问你,全世界跑步速度最快的人和一只乌龟赛跑,谁能赢?答案毫无疑问的一定会是人,那如果这个问题再延伸一下,在一场100米的赛跑里,如果这只乌龟比人早出发10米,那么谁会赢?现在我们当然知道最后的冠军毋庸置疑还会是人的,但这个问题却在公元前464年的古希腊,给当时最有名的学者们造成了极大的困扰。

提出这只乌龟的人叫做芝诺,他认为,即便是人的速度比乌龟快十倍,那么等到人跑到乌龟的出发点时,乌龟已经先前爬行了1米;等人再往前跑了1米,乌龟又爬了0.1米,就这样一直循环往复,那么最后人永远也不可能追上乌龟。

深度物理定义(深度物理学的四大)(2)

不仅如此,在东方世界,同样的困扰也存在于那些智者心头,《庄子》中就曾经记载:“一尺之棰,日取其半,万世不竭”,和芝诺的乌龟有异曲同工之妙。

那么,这只芝诺的乌龟就真的不会被打败了吗?要想战胜芝诺的乌龟,就要看破极限的问题,而从诞生到其后的2000年,芝诺的乌龟始终坚挺地立于不败之地,成为了物理学历史上第一支出现的“神兽”。直到2000年后,经典物理学的奠基人牛顿和莱布尼茨发明了微积分,用微积分这一“武林秘籍”破解了时空的连续性,这才让人追上了芝诺的老乌龟。

拉普拉斯兽

时间来到19世纪初,在牛顿的奠基下,经典物理学世界的雏形已经基本建立并且在它应有的轨道上高速发展着,也就在这时,一名叫拉普拉斯的科学家提出了这样一个观点:“我们可以把宇宙现在的状态视为其过去的果以及未来的因。如果一个智者能知道某一刻所有自然运动的力和所有自然构成的物件的位置,假如他也能够对这些数据进行分析,那宇宙里最大的物体到最小的粒子的运动都会包含在一条简单公式中。对于这智者来说没有事物会是含糊的,而未来只会像过去般出现在他面前。”这个所谓的智者就是拉普拉斯兽。

深度物理定义(深度物理学的四大)(3)

按照拉普拉斯兽的“本领”,如果知道了现在世界的某个状态,那么按照牛顿经典力学那优美而又简洁的公式,这个世界的过去和未来就能被清晰且完整的计算出来。如果拿一个人举例,从他刚出生,伟大的拉普拉斯兽就可以准确地预测他这一生会经历什么样的事情,什么时候结婚生子,又什么时候寿终正寝,可要真的是这样,我们的奋斗还有意思吗?

当时的科学家也有这样的担忧,他们坚信人的命运由自己操控而不是所谓的“从生下来就注定了”,于是他们纷纷开始试图推翻拉普拉斯兽的伟力。

开启这场对拉普拉斯兽围剿的是海森堡,这位量子力学里的巨人提出了“测不准原理”,即一个粒子的速度和位置不可能完全精确的被测量。用海森堡自己的话说:“在因果律的陈述中,即‘若确切地知道现在,就能预见未来’,所得出的并不是结论,而是前提。我们不能知道现在的所有细节,是一种原则性的事情。”

如果说海森堡的量子力学只是给了拉普拉斯妖沉重一击,让其元气大伤,那么真正把它送入坟墓的则是由美国气象学家洛伦兹提出的混沌学说。

混沌学说现在被人们更熟知的就是“蝴蝶效应”,一直在亚马逊丛林里挥动翅膀的蝴蝶,也许在两周后就会引起美国德克萨斯州的一场龙卷风。这一学说的核心观点就是在一个系统中任何一个微小的变化在经历了传递、放大后都会对整个系统产生巨大的影响,而这恰恰就是拉普拉斯兽无法解释的。

在拉普拉斯兽诞生仅仅不到一百年的时间里,它就受到了来自量子力学、热力学、混沌学说等多个流派的围剿,最终仅仅存活了一百年就夭折了。

麦克斯韦妖

还是在19世纪,在所有科学家已经痴迷寻找了永动机好几百年之后,物理学中又一大神兽,也被成为人类救世主的麦克斯韦妖诞生了。

麦克斯韦妖在本领上并不像芝诺的乌龟一样跑的比谁都快,也不能像拉普拉斯兽一样预知一切,它唯一的能耐就是眼疾手快。

深度物理定义(深度物理学的四大)(4)

我们假设有一个和外界不发生热量交换的盒子,中间有一个可以操控开合的挡板把盒子分成左右两个部分,麦克斯韦妖就坐在这个挡板前。凭借着眼疾手快,它可以观察并操控分子的运动,只见麦克斯韦妖从左边盒子里捡起运动速度较快的分子扔到右边的盒子里,又从右边的盒子里捡起运动速度较慢的分子扔到左边,那么在这一个容器中,左右两边盒子之间在形成自发的熵减的同时也形成了温差。

麦克斯韦妖凭借着它过人的眼力和出色的反应能力,成功的让混乱变为有序,让封闭系统变得重新富有生机,若果在现实生活中真的出现了麦克斯韦妖,那么从此以后,覆水可收,破镜可圆,耄耋老人可以重返少年,所有疾病都可以被治愈。

虽然人类对麦克斯韦妖寄予了美好的期望,但在物理学中,麦克斯韦妖到底能否存在还是一桩悬案。时间进入20世纪五十年代,随着信息熵的提出,科学界逐渐达成了一个共识:即不消耗能量而获得信息是不可能的,这一共识无疑对封闭系统中麦克斯韦妖能否存在给出了一个否定的答案。

然而我们却可以通过给予外界的能量来制造一种人工麦克斯韦妖,2007年一种以光为能源,能够使系统逐渐远离平衡态的人造麦克斯韦妖诞生了。虽然和真正期待的麦克斯韦妖仍有一定差距,但这一发现依旧为试图研究并了解熵减过程的科学界注入了一针强心剂。

薛定谔的猫

现在提到薛定谔的猫,大家可能都或多或少地有一些了解,因为它真的是太著名了!

深度物理定义(深度物理学的四大)(5)

这只诞生于最风流物理学家薛定谔手上的猫,非但没有向前一个神兽一样有通天彻地之能,甚至就连最基本的一直家猫能享受到的猫罐头都没有,可怜的它只能躲在纸盒里,维持着一直半生半死的状态,直到有一天纸盒被打开。

关于薛定谔的猫到底是生是死在物理学界一直众说纷纭。1957年埃弗莱特提出了这样一个理论,他认为,薛定谔的猫是真实活着的,而就在盒子被打开的那一刻,猫的世界分裂成为了两个同时存在的世界:在其中一个世界猫是活着的,而在另一个世界里,猫却死了。

怎么样,这听起来是不是和现在非常流行的平行宇宙很像?多个世界或者宇宙同时存在且互不干涉,在这些宇宙中同样的人身上发生着不同的事情,这听着很美好,但这个理论却被量子力学主要学派极力打压。

薛定谔的猫到现在仍然在那个盒子里,维持着不生不死,半生半死的状态,到底有一天谁能解救得了它,让我们拭目以待。


结束语

物理学家其实是一群很有意思的人,他们总是把遇到的难以战胜的科学难题比喻为一个个猛兽,其实除了这四大神兽以外,还有很多很多的问题曾经困扰着整个物理学界,但这些问题都随着科学的发展一一被解决了,我们相信,随着科技的进步和时代的发展,物理学的世界里将不再有所谓的“神兽”,有的只是那一代代科学家不断用自己的天赋和汗水努力铸就的光辉殿堂。

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