物理學四大妖是什么

時間：2023-11-04 21:30:12 春鵬科普知識我要投稿

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物理學四大妖是什么

　　在物理學中也存在著四大妖，和神獸差不多，其實他們四個就是人類想象而成的，只不過在每個妖身上都附加了一些物理知識，可以更好的讓人認識物理，了解物理。下面和小編一起來看物理學四大妖是什么，希望有所幫助！

物理學四大妖是什么

　　一、縮地成寸芝諾龜

　　芝諾龜?shù)闹魅私凶鲋ブZ，擅長奔跑，任何動物都跑不過這個烏龜，當這個烏龜和海神之子比賽時，海神之子比芝諾龜?shù)乃俣瓤焓兑琅f沒趕上這只烏龜，怎么跑這個烏龜都比海神之子快十分之一，在物理學中是無法超越的，但是后來創(chuàng)造出了微積分，海神之子才超過了芝諾龜。

　　二、預(yù)言先知拉普拉斯獸

　　據(jù)說拉普拉斯獸生活在1814年，它利用牛頓給出的公式可以很輕松的計算出未來和過去，還利用了畢達哥拉斯的理論為支點，所以拉普拉斯獸一直被人尊敬，在一百多年后，這個理論被量子力學給擊敗了。

　　三、逆轉(zhuǎn)時空麥克斯韋妖

　　麥克斯韋妖是麥克斯韋想象中的，他想要造出擁有無限力量的機器，雖然一直在努力，但是依舊沒有制作出來，到現(xiàn)在人類還一直在制作永動機，但是并沒有制作出來，能量在地球上很難一直運動下去。

　　四、超越生死薛定諤的貓

　　很多人都說這只貓是真實存在的，薛定諤的貓在實驗中是雙面性的，空間不同，貓也發(fā)生變化，在a空間貓就是死的，但是到了b空間貓就活了，后來出現(xiàn)了量子力學，就讓這個貓同時具有了生和死，所以現(xiàn)在也沒人確定這個難到底是怎樣的。

　　物理學四大妖：

　　人類的物理學經(jīng)過了幾千年的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展。物理學界也涌現(xiàn)出了一大批的天才物理學家，他們也提出了很多顛覆性的開創(chuàng)性理論。在物理學發(fā)展的路上，曾經(jīng)出現(xiàn)過四大“神獸”，每一個神獸都對應(yīng)著一個經(jīng)典的物理學理論，分別為微積分，量子力學，經(jīng)典力學與熱力學第二定律。今天就和大家說說。

　　1.薛定諤的貓

　　這四大神獸里，最為人熟知的也許就是量子力學中最為著名的思想實驗——薛定諤的貓了。

　　量子論的誕生已經(jīng)過了一個世紀，直到21世紀仍困惑著人們。正如玻爾的名言：“誰要是第一次聽到量子理論時沒有發(fā)火，那他一定沒聽懂。”

　　薛定諤的貓是諸多量子困惑中有代表性的一個。薛定諤嘗試著用一個思想實驗來檢驗量子理論隱含的不確定之處。

　　一，先說實驗的設(shè)想。本實驗是指將一只貓關(guān)在裝有少量鐳和氰化物的密閉容器里。鐳的衰變存在幾率，如果鐳發(fā)生衰變，會觸發(fā)機關(guān)打碎裝有氰化物的瓶子，貓就會死；如果鐳沒有發(fā)生衰變，貓就存活。

　　根據(jù)量子力學理論，由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加，貓就理應(yīng)處于死貓和活貓的疊加狀態(tài)。這只既死又活的貓就是所謂的“薛定諤貓”。

　　但是，不可能存在既死又活的貓，則必須在打開容器后才知道結(jié)果。該實驗試圖從宏觀尺度闡述微觀尺度的量子疊加原理的問題，巧妙地把微觀物質(zhì)在觀測后是粒子還是波的存在形式和宏觀的貓聯(lián)系起來，以此求證觀測介入時量子的存在形式。

　　二，這個實驗用大白話來解讀一下：原子核的衰變是隨機事件，物理學家所能精確知道的只是半衰期——衰變一半所需要的時間。如果一種放射性元素的半衰期是一天，則過一天，該元素就少了一半，再過一天，就少了剩下的一半。

　　物理學家卻無法知道，它在什么時候衰變，上午，還是下午。當然，物理學家知道它在上午或下午衰變的幾率——也就是貓在上午或者下午死亡的幾率。

　　如果我們不揭開密室的蓋子，根據(jù)我們在日常生活中的經(jīng)驗，可以認定貓或者死，或者活。這是它的兩種本征態(tài)。如果我們用薛定諤方程來描述薛定諤貓，則只能說，它處于一種活與不活的疊加態(tài)。

　　我們只有在揭開蓋子的一瞬間，才能確切地知道貓是死是活。此時，貓構(gòu)成的波函數(shù)由疊加態(tài)立即收縮到某一個本征態(tài)（太專業(yè)的術(shù)語）。

　　量子理論認為：如果沒有揭開蓋子進行觀察，我們永遠也不知道貓是死是活，它將永遠處于半死不活的疊加態(tài)，可這使微觀不確定原理變成了宏觀不確定原理，客觀規(guī)律不以人的意志為轉(zhuǎn)移，貓既活又死違背了邏輯思維。

　　2. 芝諾龜

　　芝諾悖論（Zenos paradox）是古希臘數(shù)學家芝諾（Zeno of Elea）提出的一系列關(guān)于運動的不可分性的哲學悖論。

　　追烏龜

　　一、悖論內(nèi)容。阿基里斯（又名阿喀琉斯）是古希臘神話中善跑的英雄。假設(shè)在他和烏龜?shù)呐懿礁傎愔校俣葹闉觚斒叮瑸觚斣谇懊?00米跑，他在后面追，但他不可能追上烏龜。

　　因為在競賽中，追者首先必須到達被追者的出發(fā)點，當阿喀琉斯追到100米時，烏龜已經(jīng)又向前爬了10米，于是，一個新的起點產(chǎn)生了；阿喀琉斯必須繼續(xù)追，而當他追到烏龜爬的這10米時，烏龜又已經(jīng)向前爬了1米，阿喀琉斯只能再追向那個1米。就這樣，烏龜會制造出無窮個起點，它總能在起點與自己之間制造出一個距離，不管這個距離有多小，但只要烏龜不停地奮力向前爬，阿喀琉斯就永遠也追不上烏龜！

　　二、釋疑。其實這歸根到底是一個時間的問題。譬如說，阿基里斯速度是10m/s，烏龜速度是1m/s，烏龜在前面100m。實際情況是阿基里斯必然會在100/9秒之后追上烏龜。

　　按照悖論的邏輯，這100/9秒可以無限細分，給我們一種好像永遠也過不完的印象。但其實根本不是如此。這就類似于有1秒時間，我們先要過一半即1/2秒，再過一半即1/4秒，再過一半即1/8秒，這樣下去我們永遠都過不完這1秒，因為無論時間再短也可無限細分。

　　但其實我們真的就永遠也過不完這1秒了嗎？顯然不是。盡管看上去我們要過1/2、1/4、1/8秒等等，好像永遠無窮無盡。但其實時間的流動是勻速的，1/2、1/4、1/8秒，時間越來越短，看上去無窮無盡，其實加起來只是個常數(shù)而已，也就是1秒。

　　所以說，芝諾的悖論是不存在的。

　　3，拉普拉斯獸

　　普拉斯的妖也是一個著名的思想實驗，最早是法國學者皮埃爾-西蒙·拉普拉斯Pierre-Simon Laplace在1814提出的。值得一提的是，原始的敘述中拉普拉斯并沒有使用“妖”（demon）這個詞而是用了“智者”。

　　一、假說。19世紀初,拉普拉稱,當下的客觀世界是過去的果和未來的因。這世間存在一種神獸,它神通廣大、無所不知，只要它愿意動動手指和眼晴,記錄下某一刻，它能知道宇宙中每個原子確切的位置和動量,就能用牛頓的簡潔公式,瞬間算出宇宙的過去與未來。

　　這就是大名県県的諦聽神獸拉普拉斯,善推演,能知萬物。

　　二、釋疑。拉普拉斯的基本理論是:了解物質(zhì)前一刻的運動狀態(tài),就可以推出下一刻的運動狀態(tài)。把整個宇宙的每一個粒子的運動狀態(tài)確定以后,就可以推出下一刻的運動狀態(tài)。

　　可大部分的人類卻沒有這么樂觀，如果人類的所有命運都已經(jīng)被拉普拉斯妖算得清清楚楚，那我們還有什么活頭?必須得早點弄死它オ行。不出一百年，熱力學和量子力學等新理對其萬箭齊發(fā)，以物理學家開爾文以及量子力學的海森堡開始聯(lián)手圍絞這只無所不能的拉普拉斯妖。

　　上世紀發(fā)展的量子力學表明了我們的宇宙并不是確定的，不確定性才是宇宙的本質(zhì)。于是拉普拉斯妖很快一命鳴呼，和前面那只干年老烏龜相比，可以算是天折在了襁褓里。

　　4，麥克斯韋妖

　　麥克斯韋妖（Maxwells demon），是在物理學中假想的妖，能探測并控制單個分子的運動。于1871年由英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋為了說明違反熱力學第二定律的可能性而設(shè)想的。

　　當時麥克斯韋意識到自然界存在著與熵增加相拮抗的能量控制機制。但他無法清晰地說明這種機制。他只能詼諧地假定一種“妖”，能夠按照某種秩序和規(guī)則把作隨機熱運動的微粒分配到一定的相格里。麥克斯韋妖是耗散結(jié)構(gòu)的一個雛形。

　　可以簡單的這樣描述，一個絕熱容器被分成相等的兩格，中間是由“妖”控制的一扇小“門”，容器中的空氣分子作無規(guī)則熱運動時會向門上撞擊，“門”可以選擇性的將速度較快的分子放入一格，而較慢的分子放入另一格，這樣，其中的一格就會比另外一格溫度高，可以利用此溫差，驅(qū)動熱機做功。這是第二類永動機的一個范例。

　　在1981年，Bennett的論文表明，麥克斯韋妖控制“門”使分子從一格進入另一格中的耗散過程，并不是發(fā)生在衡量過程中，而是發(fā)生在妖的對上個分子判斷“記憶”的去除過程，且這個過程是邏輯不可逆的。

　　但是這個麥克斯韋妖只是一種思想上的假設(shè)，現(xiàn)實中是不可能的存在不需要消耗能量就能自動對分子進行識別的裝置的。信息熵會啪啪的打臉。

　　因此在這種情況下，熱力學第二定律依然還是牢不可破的宇宙鐵律，因此永動機依然是不可能實現(xiàn)的。

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