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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?

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】经济增长新动能!数字经济两大领域三大趋势|数字经济专题报告

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中考物理滑轮组三大考点与解法归纳 经典题型解析,冲刺提升必备

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“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。

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