物理學“四大神獸”:除了薛定諤的貓,另外三個是什麼?

生活中總有些解釋不通的現象,人們常常調侃其為“遇事不決,量子力學”。大家或許不瞭解量子力學,但應該聽說過“薛定諤的貓”,它是關於

量子理論

的一個思想實驗。

物理學“四大神獸”:除了薛定諤的貓,另外三個是什麼?

簡單來說就是一個封閉的盒子中裝著一隻貓,盒子中放有少量的放射性物質,這種物質衰變釋放出毒素的機率是百分之五十。

這意味著在一段時間內這隻貓有一半的機率被毒死,一半的機會安全存活。但是我們在沒有開啟盒子前並不知道貓的狀態,因此

貓只能是既死又活的疊加態。

除了“薛定諤的貓”,在物理學的思想實驗中,還有三個的名稱與動物有關,它們被稱為物理學“四大神獸”。那麼,物理學的其它三大神獸是什麼呢?

一、芝諾的烏龜

公元前464年,芝諾提出只要讓烏龜領跑一小段距離,阿喀琉斯(古希臘神話中跑得最快的一個)就再也追不上這隻烏龜,這究竟是怎麼回事呢?

物理學“四大神獸”:除了薛定諤的貓,另外三個是什麼?

芝諾說:“如果讓烏龜領跑,那麼阿喀琉斯在追上烏龜之前,就要先跑完跟烏龜現有距離的二分之一,但在阿喀琉斯跑完這二分之一之前,烏龜又向前挪動了一點,不論阿喀琉斯跑得多快,烏龜都會向前挪動一點點,因此,阿喀琉斯總是在為了完成烏龜後面的二分之一而努力,永遠也追不上烏龜。”

這個問題透過建立方程組

t=s/(v1-v2)

,就能求出阿喀琉斯追上芝諾的烏龜的時間。可當時,無法用嚴密的邏輯推理證明他為何能追上。

整整兩千年後,數學家才用

微積分中的“極限”法

攻破了時空連續性。終於讓阿喀琉斯在物理的競技場裡,追上芝諾的烏龜。

二、拉普拉斯獸

拉普拉斯獸是一隻由物理學家、數學家拉普拉斯提出的神獸。

拉普拉斯獸知道宇宙中所有粒子的動量和位置,因此他能用簡潔公式,瞬間算出宇宙的過去與未來。

物理學“四大神獸”:除了薛定諤的貓,另外三個是什麼?

但隨著量子力學的發展,物理學家意識到

微觀世界被不確定性所支配

另外,根據混沌理論,在我們試圖計算粒子的未來時,

我們的計算行為會影響到粒子的運動

,這種差異會被逐漸放大,從而導致結果變得不可預測。

物理學“四大神獸”:除了薛定諤的貓,另外三個是什麼?

三、麥克斯韋妖

誕生於十九世紀後期的麥克斯韋妖,是由電磁學家麥克斯韋所想象出來的妖怪,它能探測並且控制單個分子的運動。

物理學“四大神獸”:除了薛定諤的貓,另外三個是什麼?

熵增定律

表明,

孤立系統的有序度只會越來越低,這是不可逆轉的過程。

由於整個宇宙被認為是孤立系統,這意味著宇宙註定在未來達到熵值最大的熱寂狀態,並陷入死寂之中,儘管熱寂說的正確性還處於爭論狀態。但有了麥克斯韋妖逆熵的能力,就能扭轉宇宙的熱寂結局。

20世紀50年代,

資訊熵

的概念被提出。麥克斯韋妖若要實現熱力學上的熵減,勢必需要獲取分子運動的資訊,不耗損能量而獲得資訊是不可能的,因此,

在孤立系統中麥克斯韋妖不可能存在。

物理學的四大神獸身後都是代表著意義極其重大的物理學定律。在未來,不甘寂寞的物理學家還會想象出什麼神奇的動物呢?

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