在科學(xué)這座圣殿里，

沒有蠻橫的神獸，

只有馴服的寵物。

引言

神獸出沒的物理界

物理學(xué)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(yīng)著微積分、經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)第2定律和量子力學(xué)。這四大神獸并不弱于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(zhuǎn)陰陽，薛定諤的貓能制造宇宙超越生死。 這四大神獸亦正亦邪，它既給聰明的科學(xué)家?guī)砝_，也給企圖進(jìn)化成神的人類指明了道路。

No.1

芝諾的烏龜

出生日期：公元前464

主人：芝諾

門派：先賢哲學(xué)

能力：縮地成寸

公元前464年，物理帝國的世紀(jì)運(yùn)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(jié)實(shí)笨重。芝諾之龜以身體劣勢為由，申請?zhí)崆氨寂?00米。阿喀琉斯深知自己的速度乃是芝諾之龜?shù)氖?，便毫不猶豫地答應(yīng)了。

比賽開始，當(dāng)阿喀琉斯追到100米時，烏龜已經(jīng)向前爬了10米；阿喀琉斯繼續(xù)追，而當(dāng)他追完烏龜爬的10米時，烏龜又已經(jīng)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(jīng)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(yuǎn)也追不上烏龜！

盡管阿喀琉斯是全人類最頂尖的英雄，但最終敗在芝諾之龜?shù)乃臈l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，同樣智者云集的東方文明，也對這只烏龜無可奈何， 《莊子·天下篇》中提到：“一尺之棰，日取其半，萬世不竭”，其實(shí)也是這只龜?shù)淖兎N。

在現(xiàn)實(shí)世界中，這芝諾的烏龜看起來蠻不講理，因為隨便拉來一只烏龜，無論它跑多遠(yuǎn)，6歲小兒都能追上踩扁它。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之龜?shù)臅r間。

可物理帝國不一樣，萬事萬物需要嚴(yán)密地邏輯推理和證明才能存在。所以， 即使我們輕而易舉地求出阿喀琉斯追上烏龜所花的時間，甚至惱羞成怒地踩死它，也仍不能證明他為何能追上。要想滅了它，必須把極限問題解決了?？墒菑漠呥_(dá)哥拉斯到歐拉的數(shù)學(xué)大神們，無一人能破解極限問題。因此， 這毫無道理的芝諾之龜，以神獸姿態(tài)定居物理帝國2000年。

整整兩千年后，數(shù)學(xué)巨匠萊布尼茨與科學(xué)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(xù)性。這讓大英雄阿喀琉斯終于在物理帝國的競技場里，追上芝諾之龜。然而人類對這只千年老烏龜依然耿耿于懷，從哲學(xué)到前沿物理學(xué)，人們還常常拿它吵架。

No.2

拉普拉斯獸

出生日期：1814年

主人：拉普拉斯

門派：經(jīng)典力學(xué)

能力：善推演，能知萬物

19世紀(jì)初，整個物理世界晴空萬里，牛頓帶來萬物光明，匍匐在老爵爺門下的拉普拉斯宣稱，當(dāng)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。這就是大名鼎鼎的諦聽神獸拉普拉斯，善推演，能知萬物。

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

拉普拉斯是經(jīng)典力學(xué)在19世紀(jì)最厲害的馬前卒，他吸納畢達(dá)哥拉斯“萬物皆數(shù)”之力，結(jié)合天體力學(xué)、概率論等思想精華，創(chuàng)造了宏觀經(jīng)典力學(xué)的守護(hù)神獸拉普拉斯獸，沉睡在威斯敏斯特大教堂里的祖師爺牛頓高興得合不攏嘴。因為，這說明自己親手建立的經(jīng)典物理學(xué)帝國堅不可摧，無所不能。

可大部分的人類卻沒有這么高興，如果人類的所有命運(yùn)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(diǎn)弄死它才行，不出一百年，熱力學(xué)和量子力學(xué)等新理論對其萬箭齊發(fā)，以物理學(xué)家開爾文以及量子力學(xué)的海森堡開始聯(lián)手圍剿， 這只無所不能的拉普拉斯妖最終一命嗚呼，和前面那只千年老烏龜相比，可以算是夭折在了襁褓里。

19世紀(jì)，建立在不可逆基礎(chǔ)上的熱力學(xué)大行其道，這讓以可逆性作為基石的拉普拉斯妖元?dú)獯髠?0世紀(jì)，困擾人類長達(dá)百年的雙縫干涉實(shí)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(zhǔn)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。

更悲傷的是，即使拉普拉斯妖已經(jīng)徹底死掉，不厚道的人類也不愿給這個短命的神獸留下最后的尊嚴(yán)。因為，由宇宙最大熵、光速、以及將信息傳送通過一個普朗克長度所需要的時間計算得來，拉普拉斯妖的算力上限已被證實(shí)約為10120比特，如此以來，那驚人的算力也不可能在物理帝國存在。

No.3

麥克斯韋妖

出生日期：1871年

主人：麥克斯韋

門派：熱力學(xué)

能力：逆轉(zhuǎn)時空

早在公元1200年，數(shù)以千計的科學(xué)家癡迷于永動機(jī)不能自拔。到了19世紀(jì)，熱力學(xué)蓬勃發(fā)展，各類永動機(jī)被一一槍斃。 這時候，讓愛因斯坦都崇拜不已的電磁學(xué)大牛麥克斯韋創(chuàng)立了物理學(xué)史上第三大神獸——麥克斯韋妖。如果這神獸真的存在，或許創(chuàng)立違背熱力學(xué)第2定律的永動機(jī)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，能探測并控制單個分子運(yùn)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(jī)制，但無法清晰說明這種機(jī)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(yīng)敏捷，能準(zhǔn)確地探測并控制單個分子運(yùn)動，迅速把快速移動的分子從從左盒丟進(jìn)右盒，把慢速運(yùn)動的分子從右盒丟進(jìn)左盒。因此，這個小盒子不僅左右部分形成了溫差，還實(shí)現(xiàn)熵的自發(fā)減少。 乍一看來，麥克斯韋妖擊敗熱力學(xué)第2定理不在話下，同時也讓烜赫一時的“熱寂說”也多了一個反對勢力。麥克斯韋妖的物理學(xué)意義是讓混亂變得有序，避免封閉系統(tǒng)變成一潭死水。擴(kuò)展到現(xiàn)實(shí)世界，那此神獸能就能操控萬物，逆轉(zhuǎn)陰陽。

盡管人們希望這帶領(lǐng)宇宙違背熱力學(xué)第2定律的麥?zhǔn)闲⊙娴拇嬖?，但在紀(jì)律森嚴(yán)的物理帝國，心地單純的麥?zhǔn)闲⊙瑯用径噔?，它困擾科學(xué)家150余年，迄今仍不知是死是活。20世紀(jì)50年代，信息熵的概念被提出。麥克斯韋妖若要實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)上的熵減，勢必需要獲取分子運(yùn)動的信息，不耗損能量而獲得信息是不可能的，因此，在孤立系統(tǒng)中麥克斯韋妖不可能存在。 歸根結(jié)底，這個兢兢業(yè)業(yè)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，信息論在熱力學(xué)這兒插了一腳后，麥克斯韋妖的存亡之戰(zhàn)愈加精彩。進(jìn)入21世紀(jì)，學(xué)界癡迷于研究熵減過程，麥克斯韋妖再現(xiàn)蹤跡。2007年2月發(fā)現(xiàn)一種人造麥克斯韋妖，通過“信息擒縱閥”使系統(tǒng)逐漸遠(yuǎn)離平衡態(tài)，不過，這個人造麥克斯韋妖仍需要光作為能量源。

麥克斯韋妖是科學(xué)家眼中真正的救世主，如果它真的存在，那老人可以華發(fā)變成黑發(fā)，宇宙能從熵寂走向重生。從此，覆水可收，破鏡重圓。

No.4

薛定諤之貓

出生日期：1935年

主人：薛定諤

門派：量子力學(xué)

能力：超越生死

20世紀(jì)，物理帝國妖風(fēng)四起。一個毫無殺傷力但又難纏的神獸伴隨量子力學(xué)空降人間，這神獸誕生于史上最風(fēng)流的物理學(xué)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(yùn)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(xiàn)殷勤，自始至終，它都活在物理帝國的刑場上，并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(guān)控制，而電子開關(guān)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(guān)，貓必死無疑。不過，原子核的衰變是隨機(jī)事件。盡管人們能精確知道原子核衰變時刻的概率，卻無法判斷它具體何時衰變。 所以，盡管薛定諤之貓必死無疑，人們卻無法得知它具體何時死亡。這么說來，打開密室前，這貓要么活著，要么死去。

可事情卻沒這么簡單，因為， 這只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(yè)已坍塌，只剩下一連串的概率波。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(chuàng)造這只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”給這只貓找到了歸宿。他認(rèn)為，問題并不在于盒子中的放射性原子是否衰變，而在于它既衰變又不衰變。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，盡管“多世界理論”非常優(yōu)美，卻被哥本哈根派這個量子力學(xué)頭號教派極力打壓，遂鮮為人知。所以，這只可憐的貓咪，依舊游蕩在人界、地獄之間的灰色空間。

盡管行走于生死邊界的貓從未見過，但實(shí)驗室的科學(xué)家卻異口同聲地證實(shí)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(shí)際存在。有了微觀世界的真實(shí)發(fā)現(xiàn)，又有團(tuán)隊謀劃著把薛定諤之貓徹底帶到宏觀世界，挑戰(zhàn)量子世界的邊界。

可迄今為止，量子理論盡管取得了偉大成就，但它仍然是物理帝國的一團(tuán)烏云。 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于天堂。

結(jié)語

科學(xué)當(dāng)?shù)溃瘾F已矣

除了這赫赫有名的四大神獸，物理學(xué)上還有很多魑魅魍魎， 但無論什么樣的神獸，最終都會被大神賽先生收服。

芝諾的烏龜基本已經(jīng)死了，微積分的基礎(chǔ)便是建立在它的尸體上。

拉普拉斯獸大約在龐加萊時代就被混沌效應(yīng)的引入給推翻了，再加上后來的海森堡的臨門一腳，拉普拉斯獸已經(jīng)逃回威斯特敏斯特教堂為爵爺守靈了。

麥克斯韋妖將信息論中的信息量定義與熱力學(xué)中的熵聯(lián)系了起來，尋求到了自己新的保護(hù)門派。

薛定諤的貓現(xiàn)在還是不知是死是活，躲在量子力派的屋檐下瑟瑟發(fā)抖，但大多數(shù)科學(xué)家喜歡上了這只寵物。

在科學(xué)這座莊嚴(yán)的殿堂里，沒有蠻橫的神獸，只有被馴服的寵物。

本文轉(zhuǎn)自公眾號量子學(xué)派–專注于自然科學(xué)領(lǐng)域（數(shù)理哲）的教育平臺

免責(zé)聲明： 自媒體綜合提供的內(nèi)容均源自自媒體，版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者并獲許可。 文章觀點(diǎn)僅代表作者本人，不代表環(huán)球物理立場。

環(huán)球物理

ID：huanqiuwuli

環(huán)球物理，以物理學(xué)習(xí)為主題，以傳播物理文化為己任。專業(yè)于物理，致力于物理！以激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)物理的興趣為目標(biāo)，分享物理的智慧，學(xué)會用物理思維去思考問題，為大家展現(xiàn)一個有趣，豐富多彩的，神奇的物理。