科學(xué)界4大神獸聚集：麥克斯韋妖是什么？通俗易懂的物理學(xué)！

不知道大家有沒有這樣的體會(huì)，搞文科理論的人，總愛把理論搞的特別復(fù)雜，生怕普通人看懂了。而搞科學(xué)理論的人，總是千方百計(jì)把理論往簡(jiǎn)單了解釋，生怕普通人看不懂。

那科學(xué)界的大佬們?yōu)榱俗審?fù)雜的物理理論變得通俗易懂，它們又創(chuàng)造出什么神奇的方法呢？今天小編就來(lái)和大家詳細(xì)的聊聊物理學(xué)界的四大神獸，看科學(xué)家們是如何讓普通人也能聽懂高深的理論的。

這四大神獸分別是：芝諾的烏龜，拉普拉斯獸，麥克斯韋妖和薛定諤的貓。這四大神獸中，芝諾的烏龜對(duì)應(yīng)的是微積分，拉普拉斯獸對(duì)應(yīng)的是經(jīng)典力學(xué)，麥克斯韋妖對(duì)應(yīng)的是熱力學(xué)第二定律，薛定諤的貓對(duì)應(yīng)的是量子力學(xué)。

01

芝諾的烏龜

芝諾的烏龜是四大神獸里“年齡最大”的，誕生于公元前500年左右的古希臘。這個(gè)時(shí)代有一個(gè)叫芝諾的數(shù)學(xué)家，芝諾的烏龜就是他提出的關(guān)于運(yùn)動(dòng)不可分性的悖論之一。在這個(gè)悖論中，芝諾提出了這么一個(gè)問題。

古希臘神話人物阿克琉斯是一位運(yùn)動(dòng)健將，他的速度是烏龜?shù)?0倍，但是在他們比賽曬跑的時(shí)候，只要讓烏龜在前面100米，阿克琉斯就永遠(yuǎn)也追不上這只烏龜。芝諾認(rèn)為，無(wú)論如何，這只烏龜都將在阿克琉斯的前面。

芝諾是這么認(rèn)為的，每當(dāng)阿克琉斯追到烏龜先前所在的位置時(shí)，無(wú)果都在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)又往前爬了一段距離。假如阿克琉斯的速度為10米/秒，烏龜?shù)乃俣葹?米/秒，10秒后，烏龜領(lǐng)先10米；又過1秒后，烏龜領(lǐng)先1米；再過0.1秒后，烏龜領(lǐng)先0.1米。這個(gè)過程是無(wú)窮無(wú)盡的，總能找到一段足夠小的時(shí)間，烏龜領(lǐng)先于阿克琉斯，故而阿克琉斯永遠(yuǎn)也住不上這只烏龜。

我們都知道用追及問題來(lái)算，小學(xué)生都能算出追到所需要的時(shí)間，但是想要解釋這個(gè)疑問，卻很難?，F(xiàn)在我們知道，解決這個(gè)問題需要用到微積分，用到無(wú)窮小的概念。但是至今為止，牛頓和萊布尼茨發(fā)明的微積分雖然擊破了時(shí)空連續(xù)性的問題，解決了這個(gè)悖論，而關(guān)于無(wú)窮小的概念，即使后來(lái)柯西等數(shù)學(xué)家用極限的思想逃過了這一問題，人類至今都還沒有真正的解決。

02

拉普拉斯獸

這個(gè)神獸于1814年由法國(guó)數(shù)學(xué)家拉普拉斯提出，這是一個(gè)能夠預(yù)言萬(wàn)物與未來(lái)的神獸，人們將之比喻為“宏觀經(jīng)典力學(xué)”的守護(hù)神。

這個(gè)神獸有多強(qiáng)大呢？它是拉普拉斯糅合了經(jīng)典力學(xué)，天體力學(xué)，概率論等基礎(chǔ)理論后提出的。這個(gè)神獸是因果論的代表，認(rèn)為宇宙現(xiàn)在的狀態(tài)是過去造成的，也就是過去的因才有了現(xiàn)在的果。這個(gè)神獸認(rèn)為一切都是注定的，一切都是可以預(yù)測(cè)的。

那這個(gè)神獸如何預(yù)知未來(lái)呢？假如它能夠知道此時(shí)此刻宇宙中每一個(gè)微觀粒子的位置和動(dòng)量，那么他就可以用牛頓公式計(jì)算出下一秒乃至更久以后這些微觀粒子的位置和動(dòng)量，而這些信息就代表著未來(lái)。這意味著這只神獸知曉宇宙的誕生與結(jié)局中的每分每秒，可將將人類的命運(yùn)計(jì)算得清清楚楚，世界也成了一局可逆轉(zhuǎn)的游戲。

拉普拉斯這個(gè)神獸剛提出之時(shí)，人類頂尖的科學(xué)家頓時(shí)陷入了一篇恐慌，但是隨著19世紀(jì)提出的不可逆的熱力學(xué)定律，20世紀(jì)海森堡的不確定性原理和近代混沌理論里的蝴蝶效應(yīng)的提出，科學(xué)家們終于徹底殺死了這只神獸。

03

麥克斯韋妖

除了一些民科以外，接受過現(xiàn)代科學(xué)教育的人都知道“永動(dòng)機(jī)”是不可能實(shí)現(xiàn)的。但是在19世紀(jì)之前，無(wú)數(shù)的頂尖科學(xué)家都沉迷在永動(dòng)機(jī)的世界里不可自拔。

這個(gè)荒誕的夢(mèng)想直到堅(jiān)持不可逆的熱力學(xué)定律出現(xiàn)后才終于被徹底打破，各種想著發(fā)明各種永動(dòng)機(jī)的專業(yè)科學(xué)家一夜之間全部消失了。而在1871年，人類歷史上最偉大的科學(xué)家之一麥克斯韋創(chuàng)造了物理學(xué)第三大神獸“麥克斯韋妖”。

麥克斯韋妖是一只想象中的妖怪，麥克斯韋試圖用它來(lái)否定熱力學(xué)第二定律。在這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)中，麥克斯韋妖是一只能夠用極快的速度去操縱分子運(yùn)動(dòng)的妖怪，它們減少做功過程中的能量消耗，試圖達(dá)到不消耗能量獲取信息的目的。

在物理學(xué)中，麥克斯韋妖可以在不使用能量的情況下讓空間自動(dòng)從混亂變?yōu)橛行?，讓空間的熵減少。但是熱力學(xué)第二定律卻告訴我們，熵增是不可逆的，因此它又叫熵增定律。我們想要讓空間變得有序，就必須用更多的能量，因此第二類永動(dòng)機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的。從1871年到2020年，人類尋找了幾百年，麥克斯韋妖依然不見蹤影，它就像人類想象中的一個(gè)救世主。如今，熱力學(xué)定律依舊是宇宙鐵律之一，就和質(zhì)能守恒定律一樣。

04

薛定諤的貓

這是四大神獸里最年輕的一只，它出生于1935年，由量子力學(xué)領(lǐng)域的大佬薛定諤提出的，其本意是為了反對(duì)哥本哈根學(xué)派的的量子疊加態(tài)，解釋量子力學(xué)的邊界問題，卻反被玻爾等人利用，反倒成為了量子疊加態(tài)學(xué)說的守護(hù)神。

這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)大概就是說將一只貓放在一個(gè)裝有少量放射性物質(zhì)和氰化物的密封盒子里，這里面的放射性物質(zhì)就是開關(guān)，當(dāng)發(fā)生衰變后，機(jī)關(guān)就會(huì)被觸發(fā)，劇毒的氰化物就會(huì)被釋放，貓就會(huì)被毒死。

這里這個(gè)放射性物質(zhì)下一秒是否會(huì)發(fā)生衰變十萬(wàn)群不可預(yù)測(cè)的，在一秒鐘過后，根據(jù)量子力學(xué)的理論，盒子里的放射性物質(zhì)處于衰變和沒有衰變的疊加態(tài)，反映在貓身上就是貓?zhí)幵诎胨腊牖?，既死又活的狀態(tài)，想要知道具體的結(jié)果，我們需要打開盒子才能知道。而量子力學(xué)認(rèn)為，當(dāng)打開盒子的一瞬間，疊加態(tài)就會(huì)坍縮成一種唯一的確定態(tài)，既我們觀察到的現(xiàn)象，貓要么活著，要么死了。

在這只貓身上，宏觀世界的因果律被打破，變成了所謂的概率波，完美地將微觀不確定轉(zhuǎn)化為了宏觀不確定。

薛定諤的貓也因此成為了四大神獸里最慘的一只，后來(lái)科學(xué)家們?cè)噲D用平行世界的理論來(lái)救這只貓，但是至今人類還沒有成功。

好了，這就是物理學(xué)上的四大神獸，也許未來(lái)科學(xué)界還會(huì)出現(xiàn)更多的神獸，但不管怎樣，每一只神獸的出現(xiàn)和死亡，都代表著人類科學(xué)的進(jìn)步，這才是最后的，不是嗎？對(duì)此你怎么看？