【物理科普】物理學界的四大神獸，芝諾的烏龜、拉普拉斯獸、麥克斯韋妖、薛定諤的貓。
在科學這座聖殿裡，
沒有蠻橫的神獸，
只有馴服的寵物。
物理學上有四大神獸，芝諾的烏龜，拉普拉斯獸、麥克斯韋妖、薛定諤的貓。分別對應著微積分、經典力學、熱力學第二定律和量子力學。
這四大神獸並不弱於傳說中的青龍白虎朱雀玄武，芝諾的烏龜時空雙修能縮地成寸，拉普拉斯獸明察大道推演萬物，麥克斯韋妖操控萬物逆轉陰陽，薛定諤的貓能製造宇宙超越生死。
這四大神獸亦正亦邪，它既給聰明的科學家帶來困擾，也給企圖進化成神的人類指明瞭道路。
1
薛定諤的貓
出生日期：1935年 主人：薛定諤
門派：量子力學 能力：超越生死
20世紀，物理帝國妖風四起。
一個毫無殺傷力但又難纏的神獸伴隨量子力學空降人間，這神獸誕生於史
上最風流的物理學家薛定諤的手上，遂名曰薛定諤之貓。
相比起前面那三個神通廣大的神獸們，薛定諤之貓命運最悲催
，
它既不能享受吞拿魚味兒的貓罐頭，也沒有貓奴給它獻殷勤，自始至終，它都活在物理帝國的刑場上，並練就了既死又活的本事。這個刑場是一個密室，刑具是錘子和毒藥瓶，這個錘子由電子開關控制，而電子開關又由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出阿爾法粒子，觸動電子開關，貓必死無疑。不過，原子核的衰變是隨機事件。儘管人們能精確知道原子核衰變時刻的機率，卻無法判斷它具體何時衰變。
所以，儘管薛定諤之貓必死無疑，人們卻無法得知它具體何時死亡。這麼說來，開啟密室前，這貓要麼活著，要麼死去。
可事情卻沒這麼簡單，因為，
這隻悲摧的貓被賦予了量子世界的特異功能——量子疊加，在這貓身上，宏觀世界的因果律業已坍塌，只剩下一連串的機率波。所以，在被觀測之前，這貓都是既死又活、生死疊加。
雖然薛定諤創造這隻神獸僅是為了方便吃瓜群眾們從宏觀尺度理解量子物理，但它很快成了大家的噩夢，各類解說和研究紛至沓來。
1957年，埃弗萊特用“多世界理論”給這隻貓找到了歸宿。他認為，問題並不在於盒子中的放射性原子是否衰變，而在於它既衰變又不衰變。薛定諤之貓是條活生生的生命，在它被觀測那一刻，世界分裂成了兩個版本，在A版本中，貓活著，而B版本中，貓死去。
然而，儘管“多世界理論”非常優美，卻被哥本哈根派這個量子力學頭號教派極力打壓，遂鮮為人知。
所以，這隻可憐的貓咪，依舊遊蕩在人界、地獄之間的灰色空間。
儘管行走於生死邊界的貓從未見過，但實驗室的科學家卻異口同聲地證實他們見過薛定諤之貓的幽靈，
你想象不出它活著的樣子，但它卻實際存在。
有了微觀世界的真實發現，又有團隊謀劃著把薛定諤之貓徹底帶到宏觀世界，挑戰量子世界的邊界。
可迄今為止，量子理論儘管取得了偉大成就，但它仍然是物理帝國的一團烏雲。
也許，只有這兩個世界真正攜手的那一天，薛定諤之貓才能好好地安睡於天堂。
2
麥克斯韋妖
出生日期：1871年 主人：麥克斯韋
門派：熱力學 能力：逆轉時空
早在1200年，數以千計的科學家痴迷於永動機不能自拔。到了19世紀，熱力學蓬勃發展，各類永動機一一被否定。這時候，讓愛因斯坦都崇拜不已的電磁學大牛麥克斯韋做出了一個假說，從而誕生了物理學史上的第三大神獸——麥克斯韋妖。如果這神獸真的存在的話，或許就可以創立違背熱力學第二定律的永動機就不是夢了，走向熵寂的宇宙也有起死回生的可能。
麥克斯韋妖（Maxwell‘s demon），是在麥克斯韋假想的妖，能探測並控制單個分子運動，麥克斯韋意識到自然界存在著與熵增相拮抗的能量控制機制，但無法清晰說明這種機制，只能詼諧假定一種“妖”。簡單描述，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”，麥克斯韋妖個頭迷你，沒啥特別的本事，但眼神好，反應敏捷，能準確地探測並控制單個分子運動，迅速把快速移動的分子從從左盒丟進右盒，把慢速運動的分子從右盒丟進左盒。因此，總有一個格子的溫度是高於另一個格子，這個小盒子左右部分就形成了溫差，實現了熵的自發減少，這樣就可以違背熱力學第二定律製作出第二類永動機。
麥克斯韋妖的物理學意義是讓混亂變得有序，避免封閉系統變成一潭死水。擴充套件到現實世界，那此神獸能就能操控萬物，逆轉陰陽。若是如此強大的小妖存在的話，人類也會進一步地進化，但在戒律森嚴的物理世界中，這樣的小妖註定是命運多舛的。在20世紀50年代，資訊熵的概念被提出。
麥克斯韋妖若要實現熱力學上的熵減，勢必需要獲取分子運動的資訊，不耗損能量而獲得資訊是不可能的，因此，在孤立系統中麥克斯韋妖不可能存在。歸根結底，這個兢兢業業的小妖精可能只是人類想象中的救世主，不可能在時空中存在。
不過，
進入21世紀，學界痴迷於研究熵減過程，麥克斯韋妖再現蹤跡。2007年2月發現一種人造麥克斯韋妖，透過“資訊擒縱閥”使系統逐漸遠離平衡態，只不過，這個人造麥克斯韋妖仍需要光作為能量源。
到如今，麥克斯韋妖存不存在還是不能被證明，也許在不久的未來，科學家們就能找到這樣的小妖吧。如果它真的存在，那老人可以華髮變成黑髮，宇宙能從熵寂走向重生。從此，覆水可收，破鏡重圓。那將是多麼讓人嚮往的世界啊。
3
拉普拉斯獸
出生日期：1814年 主人：拉普拉斯
門派：經典力學 能力：推演萬物
法國物理學家拉普拉斯，是號稱“將上帝趕出宇宙”的人，他提出的拉普拉斯方程廣泛應用於各個領域。他是經典力學的堅定擁護者，也是決定論的支持者。他吸納了畢達哥拉斯“萬物皆數”之力，結合天體力學、機率論等思想精華。所以他認為，當下的客觀世界是過去的果和未來的因。
他認為這世間如果存在一種神獸，它神通廣大，無所不知。只要它願意動動手指和眼睛，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。
這就是大名鼎鼎的神獸拉普拉斯，善推演，能知萬物。
簡而言之，拉普拉斯的理論就是：瞭解物質前一刻的運動狀態，就可以推出下一刻的運動狀態，把整個宇宙的每一個粒子的運動狀態確定以後，就可以推出下一刻的運動狀態。你們可以想象一下，假如從宇宙的起源到宇宙的發展再到宇宙的終結，全部的全部，只需要我知道宇宙最初的狀態就可以推演出來，一切都只不過是定局，那會有多麼的可怕。如果真的能實現，人類就掌握了宇宙的命運。
可大部分的人類卻沒有這麼高興，如果人類的所有命運都已經被拉普拉斯妖算得清清楚楚，那我們還有什麼活頭？必須得早點弄死它才行，不出一百年，熱力學和量子力學等新理論對其萬箭齊發，以物理學家開爾文以及量子力學的海森堡開始聯手圍剿，這隻無所不能的拉普拉斯獸最終一命嗚呼，可以算是夭折在了襁褓裡。
19世紀，建立在不可逆基礎上的熱力學大行其道，這讓以可逆性作為基石的拉普拉斯獸元氣大傷。20世紀，困擾人類百年的雙縫干涉實驗成功證明因果律在微觀世界徹底失效，而海森堡的測不準原理也說明再厲害的神獸也無法看清微觀世界的全部面貌。
4
芝諾的烏龜
出生日期：公元前464 主人：芝諾
門派：先賢哲學 能力：縮地成寸
公元前464年，物理帝國的世紀運動競技開幕，芝諾之龜與海神之子阿喀琉斯賽跑。阿喀琉斯體格健壯，肌肉飽滿，四肢遒勁有力。芝諾之龜短小精悍，豆眼如炬，龜甲結實笨重。芝諾之龜以身體劣勢為由，申請提前奔跑100米。阿喀琉斯深知自己的速度乃是芝諾之龜的十倍，便毫不猶豫地答應了。
比賽開始，當阿喀琉斯追到100米時，烏龜已經向前爬了10米；阿喀琉斯繼續追，而當他追完烏龜爬的10米時，烏龜又已經向前爬了1米；阿喀琉斯只能再追向前面的1米，可烏龜又已經向前爬了1/10米；就這樣，芝諾之龜總能與阿喀琉斯保持一個距離，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！
儘管阿喀琉斯是全人類最頂尖的英雄，但最終敗在芝諾之龜的四條小短腿之下，芝諾之龜從此暴得大名，無人匹敵。不僅在古希臘，同樣智者雲集的東方文明，也對這隻烏龜無可奈何，《莊子·天下篇》中提到：“一尺之棰，日取其半，萬世不竭”，其實也是這隻龜的變種。這便是鼎鼎大名的芝諾悖論。
其實在聰明的大家看來，這就是一個十分簡單的問題。因為
在現實世界中，隨便拉來一隻烏龜，無論它跑多遠，6歲小兒都能追上它。而且，隨便建立一個簡單的方程組t=s/（v1-v2）還能求出阿喀琉斯追上芝諾的烏龜的時間。
可是，在嚴謹的物理世界卻不是這麼一回事，萬事萬物都需要嚴謹的邏輯推算和證明才可以存在。也就是說，就算我們可以輕而易舉地求出阿喀琉斯追上烏龜所用的時間，也仍不能證明他為何能夠追上。要想解決這個問題就必須把極限問題給解決了。可是從畢達哥拉斯到尤拉的數學大神們，沒有一個人能夠破解極限問題的。因此，這毫無任何道理的芝諾的烏龜，以神獸的姿態定居在物理的帝國整整2000年。
整整兩千年後，數學巨匠萊布尼茨與科學巨匠牛頓隔空修煉“微積分”，用微積分中的“極限”法門攻破了時空連續性。這讓大英雄阿喀琉斯終於在物理帝國的競技場裡，追上芝諾之龜。
回首古今，物理學的四大神獸都有了自己的結局。只能說無論是多麼蠻橫的神獸，在最後都會被科學收服，這也許就印證了開頭的那句話吧。
芝諾的烏龜已經死了，微積分的基礎便是建立在它的屍體上。拉普拉斯獸被混沌效應的引入給推翻了，再加上後來的海森堡的臨門一腳，也是涼透了。
麥克斯韋妖將資訊理論中的資訊量定義與熱力學中的熵聯絡了起來，尋求到了自己新的保護門派。薛定諤的貓現在還是不知是死是活，躲在量子力派的屋簷下瑟瑟發抖。
科學當道，神獸已矣。
排版：鴞而不語
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文字來源：網路、鴞而不語