物理学的四大神兽,除了薛定谔的猫还有哪些?


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) 。

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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
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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 。
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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 。
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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)
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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
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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 。

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