物理学上的四大神兽，都代表着经典的物理学理论

人类的物理学经过了几千年的发现与发展。物理学界也涌现出了一大批的天才物理学家，他们也提出了很多颠覆性的开创性理论。在物理学发展的路上，曾经出现过四大“神兽”，每一个神兽都对应着一个经典的物理学理论，分别为微积分，量子力学，经典力学与热力学第二定律。今天就和大家说说。

1.薛定谔的猫

这四大神兽里，最为人熟知的也许就是量子力学中最为著名的思想实验——薛定谔的猫了。

量子论的诞生已经过了一个世纪，直到21世纪仍困惑着人们。正如玻尔的名言：“谁要是第一次听到量子理论时没有发火，那他一定没听懂。”

薛定谔的猫是诸多量子困惑中有代表性的一个。薛定谔尝试着用一个思想实验来检验量子理论隐含的不确定之处。

一，先说实验的设想。本实验是指将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭没有发生衰变，猫就存活。

根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。

但是，不可能存在既死又活的猫，则必须在打开容器后才知道结果。该实验试图从宏观尺度阐述微观尺度的量子叠加原理的问题，巧妙地把微观物质在观测后是粒子还是波的存在形式和宏观的猫联系起来，以此求证观测介入时量子的存在形式。

二，这个实验用大白话来解读一下：原子核的衰变是随机事件，物理学家所能精确知道的只是半衰期——衰变一半所需要的时间。如果一种放射性元素的半衰期是一天，则过一天，该元素就少了一半，再过一天，就少了剩下的一半。

物理学家却无法知道，它在什么时候衰变，上午，还是下午。当然，物理学家知道它在上午或下午衰变的几率——也就是猫在上午或者下午死亡的几率。

如果我们不揭开密室的盖子，根据我们在日常生活中的经验，可以认定猫或者死，或者活。这是它的两种本征态。如果我们用薛定谔方程来描述薛定谔猫，则只能说，它处于一种活与不活的叠加态。

我们只有在揭开盖子的一瞬间，才能确切地知道猫是死是活。此时，猫构成的波函数由叠加态立即收缩到某一个本征态（太专业的术语）。

量子理论认为：如果没有揭开盖子进行观察，我们永远也不知道猫是死是活，它将永远处于半死不活的叠加态，可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理，客观规律不以人的意志为转移，猫既活又死违背了逻辑思维。

2.芝诺龟

芝诺悖论（Zeno's paradox）是古希腊数学家芝诺（Zeno of Elea）提出的一系列关于运动的不可分性的哲学悖论。

追乌龟

一，悖论内容。阿基里斯（又名阿喀琉斯）是古希腊神话中善跑的英雄。假设在他和乌龟的跑步竞赛中，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！

二、释疑。其实这归根到底是一个时间的问题。譬如说，阿基里斯速度是10m/s，乌龟速度是1m/s，乌龟在前面100m。实际情况是阿基里斯必然会在100/9秒之后追上乌龟。

按照悖论的逻辑，这100/9秒可以无限细分，给我们一种好像永远也过不完的印象。但其实根本不是如此。这就类似于有1秒时间，我们先要过一半即1/2秒，再过一半即1/4秒，再过一半即1/8秒，这样下去我们永远都过不完这1秒，因为无论时间再短也可无限细分。

但其实我们真的就永远也过不完这1秒了吗？显然不是。尽管看上去我们要过1/2、1/4、1/8秒等等，好像永远无穷无尽。但其实时间的流动是匀速的，1/2、1/4、1/8秒，时间越来越短，看上去无穷无尽，其实加起来只是个常数而已，也就是1秒。

所以说，芝诺的悖论是不存在的。

3，拉普拉斯兽

普拉斯的妖也是一个著名的思想实验，最早是法国学者皮埃尔-西蒙·拉普拉斯Pierre-Simon Laplace在1814提出的。值得一提的是，原始的叙述中拉普拉斯并没有使用“妖”（demon）这个词而是用了“智者”。

一，假说。19世纪初,拉普拉称,当下的客观世界是过去的果和未来的因。这世间存在一种神兽,它神通广大、无所不知，只要它愿意动动手指和眼晴,记录下某一刻，它能知道宇宙中每个原子确切的位置和动量,就能用牛顿的简洁公式,瞬间算出宇宙的过去与未来。

这就是大名県県的谛听神兽拉普拉斯,善推演,能知万物。

二，释疑。拉普拉斯的基本理论是:了解物质前一刻的运动状态,就可以推出下一刻的运动状态。把整个宇宙的每一个粒子的运动状态确定以后,就可以推出下一刻的运动状态。

可大部分的人类却没有这么乐观，如果人类的所有命运都已经被拉普拉斯妖算得清清楚楚，那我们还有什么活头?必须得早点弄死它オ行。不出一百年，热力学和量子力学等新理对其万箭齐发，以物理学家开尔文以及量子力学的海森堡开始联手围绞这只无所不能的拉普拉斯妖。

上世纪发展的量子力学表明了我们的宇宙并不是确定的，不确定性才是宇宙的本质。于是拉普拉斯妖很快一命鸣呼，和前面那只干年老乌龟相比，可以算是天折在了襁褓里。

4，麦克斯韦妖

麦克斯韦妖（Maxwell's demon），是在物理学中假想的妖，能探测并控制单个分子的运动。于1871年由英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的。

当时麦克斯韦意识到自然界存在着与熵增加相拮抗的能量控制机制。但他无法清晰地说明这种机制。他只能诙谐地假定一种“妖”，能够按照某种秩序和规则把作随机热运动的微粒分配到一定的相格里。麦克斯韦妖是耗散结构的一个雏形。

可以简单的这样描述，一个绝热容器被分成相等的两格，中间是由“妖”控制的一扇小“门”，容器中的空气分子作无规则热运动时会向门上撞击，“门”可以选择性的将速度较快的分子放入一格，而较慢的分子放入另一格，这样，其中的一格就会比另外一格温度高，可以利用此温差，驱动热机做功。这是第二类永动机的一个范例。

在1981年，Bennett的论文表明，麦克斯韦妖控制“门”使分子从一格进入另一格中的耗散过程，并不是发生在衡量过程中，而是发生在妖的对上个分子判断“记忆”的去除过程，且这个过程是逻辑不可逆的。

但是这个麦克斯韦妖只是一种思想上的假设，现实中是不可能的存在不需要消耗能量就能自动对分子进行识别的装置的。信息熵会啪啪的打脸。

因此在这种情况下，热力学第二定律依然还是牢不可破的宇宙铁律，因此永动机依然是不可能实现的。

以上就是物理学界的四大神兽了，这四大神兽都已经完成了各自的使命。物理学家们依旧在不辞辛劳地探索着宇宙的未知，新的理论也会在探索的过程中慢慢的形成，未来也许还会出现类似四大神兽一样的物理学新概念。

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