物理·四大神獸

芝諾的烏龜

拉普拉斯獸

麥克斯韋妖

薛定諤的貓

無法超越的千年神獸

芝諾的烏龜

芝諾，古希臘數學家、哲學家，以芝諾悖論著稱。芝諾悖論是關於運動的一系列不可分的哲學悖論。現由於量子的發現，這些悖論已經得到解決。

阿基裏斯是古希臘神話中一位善於跑步的神明，他在神之中以速度出名。但在芝諾悖論中，他永遠追不上一只正常爬行的烏龜。

假如烏龜每秒爬1米，但阿基裏斯每秒跑10米。阿基裏斯讓烏龜先跑100米再出發。當阿基裏斯跑完了 100米，烏龜爬行了10米；當阿基裏斯跑完這10米，烏龜又跑了1米；當阿基裏斯跑完1米，烏龜又跑了1/10米......就這樣不斷進行下去，阿基裏斯總與烏龜相差一定的距離。

這個問題的“壽命”有千年之久。

芝諾本人也知道這是個悖論，在現實生活人是能夠輕易超過一個爬行的烏龜的。事實上，芝諾的觀點是一個“詭辯”。

從數學上來看，這個悖論的本質是正常時間與芝諾時間兩個度量的比較。正常時間流速是一定的持續的，而芝諾時間卻是在有限時間段內將時間無限細分，含有極限的概念。這個概念之所以難以證明它的錯誤，就是因為你進入了芝諾的圈套——用極限解釋極限，結果當然就是證明芝諾是正確的。我們從阿基裏斯跑完100米後開始計時，你會發現阿基裏斯追不上烏龜是因為後面的時間總和為1秒，無限的細分使時間趨向1秒而永遠到不了1秒。所以阿基裏斯永遠追不上。

從物理上看，芝諾悖論的本質是質疑時間的本質，疑惑時間是否存在最小時間間隔。直到量子物理的誕生，這個問題才被解決。

知曉萬物的百年神獸

拉普拉斯獸

拉普拉斯，法國分析學家、概率論學家與物理學家，法國科學院院士。他假想一種生物，此生物能知曉宇宙中每個原子確切的位置與動量。

他提出：了解物質前一刻的運動狀態，就可以推出下一刻的運動狀態。如果知曉宇宙中每一個粒子的運動狀態，那就可以算出整個宇宙的過去與未來。

拉普拉斯獸的本質是決定論，認為萬物皆由因果關系相連，體現因果律的思想。

但是，拉普拉斯獸的神秘僅困惑人們幾百年。在後來的雙縫幹涉實驗中人們證明因果律在微觀世界的失效，海森堡的不確定性原理也推翻了這只神獸知曉萬物的能力。

逆轉時空的百年神獸

麥克斯韋妖

麥克斯韋，英國物理學家、數學家。經典電動力學創始人、統計物理學奠基人之一。

我們先了解熱力學第二定律：不可能把熱量從低溫物體傳向高溫物體而不引起任何變化。而這只麥克斯韋妖卻能實現。麥克斯韋設想：有這麼一只妖，它能探測單個分子運動的快慢，能將快速移動的分子與慢速移動的分子左右分開。這樣來看，假如將40°的水與60°的水混合後，這只妖就能將其分為20°的水與80°的水。假如真的能這樣，我們或許就能逆轉陰陽時空了！

但是信息熵概念的提出重創麥克斯韋妖。假若麥克斯韋妖要實現熱力學上的熵增，就要獲取分子運動信息。不損耗能量而獲取信息是不可能的。

薛定諤的貓

超越生死

仍未被馴服的神秘神獸

薛定諤，奧地利物理學家，量子力學奠基人之一，發展了分子生物學。

在四大神獸之中，薛定諤的貓最為出名，它同時也是最為神秘，仍未被馴服的神獸。

薛定諤假設，在一個密閉盒子裏放一只貓，裏面裝有少量鐳與氰化物。如果鐳衰變，那麼就會觸動機關打碎裝有氰化物的瓶子，貓也就會死亡。如果鐳不衰變，貓就會存活。但是，鐳的衰變是隨機事件，根據量子力學理論，放射性的鐳處於衰變與沒有衰變兩種狀態的疊加，則貓也就處於死貓活貓兩種狀態的疊加。這只既死又活的貓正是薛定諤的貓。但是現實中沒有既死又活的貓，我們只有打開盒子才能確定。

這個實驗從宏觀角度闡述微觀尺度的量子疊加原理，巧妙地將微觀物質在觀測後是以粒子還是以波的形式存在與宏觀的貓聯系起來。自薛定諤的貓問世之後，延伸出了平行宇宙等物理問題與哲學思考。

務新青年

圖片源自網絡

編輯 | 吳嘉怡

審核 | 羅瑞霞 戴一鳴 崔嘉熙

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