拉普拉斯兽科学界4大神兽聚集：麦克斯韦妖是什么通俗易懂的物理学

2022-01-08 07:29

不知道大家有没有这样的经历，但是搞文科理论的人总是把理论搞得极其复杂，生怕普通人看懂。搞科学理论的人总是想尽办法简单解释理论，生怕普通人看不懂。

为了让复杂的物理理论易于理解，科学界的领袖们创造了哪些神奇的方法？今天，边肖将和大家详细谈谈物理学中的四大猛兽，看看科学家如何让普通人理解深奥的理论。

这四大巨兽分别是芝诺的乌龟、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖和薛定谔的猫。这四大巨兽中，芝诺的乌龟对应微积分，拉普拉斯兽对应经典力学，麦克斯韦妖对应热力学第二定律，薛定谔的猫对应量子力学。

芝诺的海龟

芝诺的乌龟是四大猛兽中最古老的，出生于公元前500年左右的古希腊。在这个时代，有一个叫芝诺的数学家，芝诺的乌龟是他关于运动不可分割性的悖论之一。在这个悖论中，芝诺提出了这样一个问题。

古希腊神话人物阿基利乌斯是一名运动员，他的速度是乌龟的10倍，但是当他们在阳光下奔跑时，只要乌龟领先100米，阿基利乌斯就永远追不上乌龟。芝诺相信，不管发生什么，这只乌龟都会出现在阿基利的面前。

芝诺这样认为。每当阿基利斯追上乌龟之前的位置，他就在这段时间爬很远的距离。如果阿喀琉斯的速度是10 m/s，乌龟的速度是1 m/s，10秒后乌龟领先10m；又过了一秒，乌龟领先了1米；再过0.1秒，乌龟领先0.1米。这个过程是无止境的，足够小的时间总能找到。乌龟领先于阿克琉斯，所以阿克琉斯永远不会生活在这只乌龟身上。

众所周知，通过追踪问题，小学生可以计算出追赶所需的时间，但要解释这个问题非常困难。现在我们知道解决这个问题需要微积分和无穷小的概念。但是到目前为止，牛顿和莱布尼茨发明的微积分通过打破时间空连续性的问题解决了悖论，但是无穷小的概念，即使像柯西这样的数学家用极限的思想逃脱了这个问题，也还没有真正解决。

拉普拉斯兽

这种野兽是法国数学家拉普拉斯在1814年提出的。它是一只可以预测一切和未来的野兽。人们将其比作“宏观经典力学”的守护神。

这只野兽有多强大？它是拉普拉斯结合经典力学、天体力学、概率论等基础理论提出的。这种野兽是因果关系的代表，认为宇宙现在的状态是过去造成的，即过去的原因有现在的果实。这只野兽认为一切都是注定的，一切都是可以预测的。

这只野兽如何预测未来？如果它能知道此时此刻宇宙中每一个微观粒子的位置和动量，那么他就可以用牛顿公式计算出这些微观粒子在下一秒甚至更长时间内的位置和动量，而这个信息就代表了未来。这意味着，知道宇宙诞生和结束的每一分钟，这只野兽就能清楚地计算出人类的命运，世界就成了可逆的游戏。

拉普拉斯第一次提出的时候，人类的顶尖科学家突然陷入了恐慌。然而，随着19世纪提出的不可逆热力学定律、20世纪海森堡的测不准原理和现代混沌理论中的蝴蝶效应，科学家们最终彻底杀死了这只野兽。

麦克斯韦的恶魔

除了一些民用科目，接受过现代科学教育的人都知道“永动机”是无法实现的。但在19世纪之前，无数顶尖科学家沉迷于永动机。

这个荒诞的梦想最终被彻底打破，直到热力学不可逆定律出现，各种想发明各种永动机的专业科学家一夜之间消失了。1871年，人类历史上最伟大的科学家之一麦克斯韦创造了物理学中第三大猛兽——麦克斯韦妖。

麦克斯韦妖是一个想象出来的怪物，麦克斯韦试图用它来否定热力学第二定律。在这个思想实验中，麦克斯韦妖是一个可以以非常快的速度操纵分子运动的怪物。他们减少了工作过程中的能量消耗，并试图在不消耗能量的情况下获取信息。

在物理上，麦克斯韦妖可以在不使用能量的情况下，自动将空从混沌变为有序，并降低空之间的熵。但是热力学第二定律告诉我们熵增是不可逆的，所以也叫熵增定律。如果我们想让空有序，就必须使用更多的能量，所以第二种永动机无法实现。从1871年到2020年，人类寻找了几百年，但麦克斯韦妖依然消失了。它就像是人类想象中的救世主。时至今日，热力学定律仍然是宇宙的铁的定律之一，就像质量和能量守恒定律一样。

薛定谔的猫

这是四大猛兽中最年轻的一个，诞生于1935年，由量子力学领域的伟人薛定谔提出。其初衷是反对哥本哈根学派的量子叠加态，解释量子力学的边界问题，但被玻尔等人利用，成为量子叠加态理论的守护神。

这个思维实验可能意味着把一只猫放在一个装有少量放射性物质和氰化物的密封盒子里。里面的放射性物质是开关。当腐烂发生时，器官会被触发，剧毒的氰化物会被释放出来，猫也会中毒。