物理学的四大神兽,除了薛定谔的猫还有哪些？

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物理学的四大神兽分别是薛定谔的猫、拉普拉斯妖、麦克斯韦妖、芝诺龟

薛定谔的猫：反抗量子力学的神兽却叛变成护法神兽

薛定谔的猫是为了反击海森堡的测不准原理而诞生的。海森堡的测不准原理则是指。你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度。粒子位置的不确定性。必然大于或等于普朗克常数除于4π（ΔxΔp≥h/4π）。

猫怎么可能处于既生又死的状态呢？但是薛定谔忘记了量子叠加是描述的微观世界。而非宏观世界。微观世界里的猫还真的是处于既生又死的状态。

薛定谔的猫被放出不久就成功叛变。成为了量子力学的护法神兽。并且帮助哥本哈根学派拨开了笼罩在量子力学上的迷雾。让大家看清了量子力学的本质—— 一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。（量子叠加态原理）伴随着薛定谔的猫叛变。爱因斯坦和玻尔的论战又失败告终

在过去的几十年里。物理学家成功地在实验室中实现了多种薛定谔猫态。将物质微粒转变为“既是 A 又是 B”的叠加态。并探测它们的性质。

拉普拉斯妖：每个人都是机械宇宙的傀儡

1687年牛顿发表了《自然哲学的数学原理》。这是第一次科学革命的集大成之作,被认为是古往今来最伟大的科学著作。这本书标志着牛顿经典力学体系的建立。预示着科学时代的到来。而这本书也阐释了牛顿的宇宙观。牛顿认为世界就好像一个钟表。当钟表师傅完成装配之后。将钟表上发条。接著钟表会自行运作。师傅不会再过问。

所以牛顿一直也就认为宇宙存在第一推动力。他是这样说的: “一切物体开始运动必有第一推动力,那就是造物主”。也就是上帝（第一推动力）给整个宇宙上好发条之后。整个宇宙就开始自行运转。第一推动力帮助牛顿解决了“太阳系如何形成”、“地球何以会绕太阳运转”这些问题。

拉普拉斯指出：我们可以把宇宙现在的状态视为其过去果以及未来的因。如果一个智能知道某一刻所有自然运动的力和所有自然构成的物件的位置。假如他也能够对这些数据进行分析。那宇宙里最大的物体到最小的粒子的运动都会包含在一条简单公式中。对于这智者来说没有事物会是含糊的。而未来只会像过去般出现在他面前。

这个智者就是拉普拉斯妖。拉普拉斯妖是基于经典力学可逆过程而诞生的。可逆性是指时间反演。即过程按相反的顺序进行。在经典力学的运动方程中。把时间参量 t换成-t。就意味着过程按相反的顺序历经原来的一切状态。最后回到初始状态。

正是因为基于力学过程的可逆性。所以拉普拉斯妖才可以做到没有什么事情可以难倒他。他也没有什么事情是模糊的。一切都是可知的。未来只会像过去一样出现在他眼前！

但是后来克劳修斯提出了热力学第二定律。也就是熵增定律：

在绝热条件下。只可能发生dS≥0 的过程。其中dS = 0 表示可逆过程；dS>0表示不可逆过程,dS<0 过程是不可能发生的。但可逆过程毕竟是一个理想过程。因此。在绝热条件下。一切可能发生的实际过程都使系统的熵增大。直到达到平衡态。

绝热过程是一个绝热体系的变化过程。即体系与环境之间无热量交换的过程。在绝热过程中。Q = 0 。有ΔS（绝热）≥ 0（大于时候不可逆。等于时候可逆） 或 dS（绝热）≥0 (>0不可逆；=0可逆)

熵增原理的出现表示经典力学的可逆性并不适用于所有情况。它只在有普遍的力学原理做保证的情况下才准确。热运动就是一个不可逆的过程。

热力学第二定律的出现彻底击杀了拉普拉斯妖。也宣告了牛顿机械宇宙论的破产。

麦克斯韦妖：想要拯救宇宙的小妖精

麦克斯韦在听到热寂说之后。立即脑洞大开。首先从概率统计的角度认真思考这个假说。意识到对于宇宙这种“开放系统”来说。一定存在某种机制。使得在某种条件下。会存在貌似“违反了”热力学第二定律的情况。

在麦克斯韦构想中。麦克斯韦妖有极高的智能。可以追踪每个分子的行踪。并能辨别出它们各自的速度。这个理想实验如下：

那么究竟会不会存在麦克斯韦小妖呢？因为如果麦克斯韦小妖真的存在的话。热寂说就不攻自破。宇宙就“得救” 了。除此之外。我们就有可能造出违反热力学第二定律的第二类永动机。从单一热源吸取热量使之完全变成有用功并且不产生其他影响就是第二类永动机。

这个原理也解释了我们的电脑为什么会不断发热。比如我们删除了电脑里存储的一段资料。假设一个随机二元变量的熵是1比特。具有固定数值时的熵为0。消除信息的结果使得这个2元系统的熵从0增加到1比特。必然有电能转换成了热能被释放到环境中。所以我们的电脑不断发热。

兰道的同事贝内特敏锐地发现这个原理可以适用于“麦克斯韦妖”身上。他经过不断研究。在1982年的论文里表示：不耗散能量的“麦克斯韦妖”不存在。并且。这种耗散是发生在“妖”对上一个判断“记忆”的消除过程中。“遗忘”需要以消耗能量为代价。这个过程是逻辑不可逆的。

而2003年。贝内特更是总结道： 任何逻辑上不可逆的信息操纵过程。例如擦除1比特的信息。或者是合并两条计算路径。一定伴随着外部环境或者是信息存储载体以外的自由度的熵增。

从而将麦克斯韦妖彻底从热力学第二定律中驱逐了出去。但是并没有彻底击杀麦克斯韦妖。它在物理学中还有很大的作用。。

芝诺龟：极限难题终引发数学大危机

阿基里斯（又名阿喀琉斯）是古希腊神话中善跑的英雄。在他和乌龟的竞赛中。他速度为乌龟十倍。乌龟在前面100米跑。他在后面追。但他不可能追上乌龟。因为在竞赛中。追者首先必须到达被追者的出发点。当阿喀琉斯追到100米时。乌龟已经又向前爬了10米。于是。一个新的起点产生了；阿喀琉斯必须继续追。而当他追到乌龟爬的这10米时。乌龟又已经向前爬了1米。阿喀琉斯只能再追向那个1米。就这样。乌龟会制造出无穷个起点。它总能在起点与自己之间制造出一个距离。不管这个距离有多小。但只要乌龟不停地奋力向前爬。阿喀琉斯就永远也追不上乌龟！

“乌龟” 动得最慢的物体不会被动得最快的物体追上。由于追赶者首先应该达到被追者出发之点。此时被追者已经往前走了一段距离。因此被追者总是在追赶者前面。”

这就是在芝诺悖论下诞生的芝诺龟。这个悖论之所以会产生。是因为芝诺与我们采取了不同的时间系统。人们习惯于将运动看做时间的连续函数。而芝诺的解释则采取了离散的时间系统。即无论将时间间隔取得再小。整个时间轴仍是由无限的时间点组成的。换句话说。连续时间是离散时间将时间间隔取为无穷小的极限。

这个问题在很长一段时间都没有被解决。因为这涉及到极限问题。而当时实数理论并没有得到完善。

后来。牛顿的微积分因为“无穷小量究竟是否为0”这个争议将极限问题引发的数学危机掀至高潮。差点颠覆了整个数学大厦。

后来。在魏尔斯特拉斯“分析算术化”运动的引领下。实数理论得到完善。极限问题得到解决。芝诺龟也被顺利消灭。

这就是物理四大神兽。它们的出现可以说促进了科学的大发展。

其他观点：

而物理中除了薛定谔的猫之外。还有芝诺龟。拉普拉斯兽。麦克斯韦妖这三大神兽

拉普拉斯兽：这只神兽可以知道宇宙中每一个原子的运动数据。从这些数据出发再辅以物理学定律。拉普拉斯兽就可以知道宇宙的过去和未来。然而量子力学的出现揭示了物质世界的最小部分是不确定状态。因此拉普拉斯兽永远都不可能预测未来。

其他观点：

物理学上所讲的四大神兽分别是薛定谔的猫、芝诺的乌龟、拉普拉斯兽和麦克斯韦妖。其中薛定谔的猫所对应的是量子力学。讲的是一只猫被放在一个箱子里。箱子里有一个毒气瓶。毒气瓶上有个锤子。锤子受放射性原子控制。而由于放射性原子核的衰变是随机的。所以在打开盒子之前无法得知猫的生死。于是此时猫处于一种既死又活的叠加态。

拉普拉斯兽对应的则是经典力学。说是有一种神兽。它只要记录下当前时刻宇宙间每一个原子的运动状态。就可以推算出整个宇宙的未来。拉普拉斯兽的本质就是万事万物皆遵循同样的物理学定律。也就是说宇宙间的一切。包括我们每个人的命运实际上都是安排好的。最终量子力学所描述的随机性击垮了拉普拉斯兽。

最后。是麦克斯韦妖。它描述的是一个热力学问题。我们知道。在系统内部。熵只能增加不能减少。所以一切都会从有序向无序发展。所以生命才会走向衰亡。而麦克斯韦假想出了一种妖兽。这个妖兽能够控制分子的运动。将快速运动的分子和慢速运动的分子分别归类。从而使自然变得有序。使熵自然减少。麦克斯韦妖虽然是一种假象中的妖兽。但科学家相信在自然界中存在着和熵增相反的能量控制机制。只是还没有找到它。所以麦克斯韦妖是否存在。还有待进一步研究。

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