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?