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几大物理神兽排名前十(物理学十大神兽排行)

2023-12-10 13:35来源:网络本地 0人已围观

摘要在科学研究中,“实验”是最基本的方法之一,通过实验的方式去探索某种自然现象和自然规律,同时可以排除一些意外情况,获得...

在科学研究中,“实验”是最基本的方法之一,通过实验的方式去探索某种自然现象和自然规律,同时可以排除一些意外情况,获得更准确的数据。而在物理学中,经常会提及“思想实验”这个概念。

所谓“思想实验”就是利用我们的想象力,来完成一些现实中不可能实现的实验,在物理学发展的过程中,很多理论都是建立在思想实验之上,随着科学的发展才一步步证实的,在物理学的各种思想实验中,存在物理学“四大神兽”,最著名的是“薛定谔的猫”,除了这个猫咪,你还知道哪个?

几大物理神兽排名前十(物理学十大神兽排行)插图

薛定谔的猫

薛定谔的猫可以说是“大名鼎鼎”,很多人都听过这个思想实验,但是很少有人理解这个实验真正的含义,以及为什么这个实验会导致一只猫咪陷入“又生又死”这样奇特的状态中。

几大物理神兽排名前十(物理学十大神兽排行)插图1

实验并不复杂,把猫咪放在一个容器中,这个容器中存在“氰化物”和 “镭”,如果镭发生衰变,就会导致装着氰化物的玻璃瓶被打碎,猫咪就会因为氰化物的泄露而死去。但是镭的衰变几率是不确定的,可能在实验开始的一秒钟就发生衰败,也有可能永远不会衰变。

如果不打开这个盒子观察,你无法知道镭的状态,也无法知道猫咪的状态。在量子力学中,镭的状态处于两种状态的叠加态中,也就是说这个时候的镭被视为两种状态同时存在,而镭的状态也会对猫咪产生影响,猫咪就陷入了奇妙的叠加态中,我们无法判断猫咪的生死,只能认为这个猫咪“又死又活”。

其实薛定谔提出这个思想实验,并不是想证明什么,只是想向世人展示量子力学的“不完备性”,用一只小小的猫咪把宏观和微观结合在一起,指出了目前物理理论的不完善。

拉普拉斯妖

拉普拉斯妖是法国数学家提出的一个概念,他假设宇宙中存在一个妖怪,这个妖怪知道宇宙中一切基本粒子的位置还有动量,并且这个妖怪还拥有足够的运算能力,可以计算出这些基本粒子的下一步运动。

几大物理神兽排名前十(物理学十大神兽排行)插图2

也就说,这个妖怪可以“预知未来”,因为它知道所有基本粒子的位置,并且可以计算出这些粒子下一步的运动,就等于知道了宇宙的未来。

真的存在这样的妖怪吗?答案当然是不存在,因为量子力学的诞生,粒子的不确定性和波粒二象性直接导致了拉普拉斯妖的不存在,想要预测宇宙中全部基本粒子的状态是不可能的,大多数量子的状态是无法预知的。

几大物理神兽排名前十(物理学十大神兽排行)插图3

拉普拉斯妖诞生的时代背景,物理学对宇宙认知的观点是“决定论”,也就是源自牛顿的机械宇宙观产生的一种宇宙观,这种理论认为,宇宙中的一切都是决定好的,我们可以通过过去来预测未来。

但是自从科学家发现宇宙在膨胀,整个宇宙并不是静止且稳定的状态后,就开始不被大众认可了。

芝诺的乌龟

芝诺的乌龟是古希腊时代产生的一个悖论,目前的数学和物理学已经可以完美地解决这个问题,这个思想实验还是十分有趣的,探讨了时间和空间的极限问题,以及时间和空间的连贯性。

几大物理神兽排名前十(物理学十大神兽排行)插图4

一个擅长跑步的神和一个乌龟比赛跑步,为了公平乌龟在领先10米的位置出发,乌龟每秒可以爬1米,而这个神每秒可以跑10米,也就是说1秒后两者之间的距离就会只剩下1米。

这个擅长跑步的神必须追上这个乌龟,才能完成超越,每当他跑出去一点,乌龟也会向前移动一点,如果时间可以无限分割,那么这个神就永远也追不上乌龟。这个理论其实和0.999无限循环=1和0.999小于1这个问题一样,是在讨论最小是否存在的极限问题。

几大物理神兽排名前十(物理学十大神兽排行)插图5

提出这个悖论的芝诺肯定知道,乌龟会在两秒后会被超越,但是在当时对于时间和空间的定义还不明确,才有这样的悖论诞生。

麦克斯韦妖

麦克斯韦妖和物理学中的热力学第二定律有关,热力学第二定律“熵增定律”被称为物理学第一定律,这个定律指出,在某个封闭的系统中,随着时间的推移“熵”的总值会越来越高,其实就是混乱的程度必然会随着时间的增加而增加!

几大物理神兽排名前十(物理学十大神兽排行)插图6

如果宇宙是一个封闭系统,宇宙的最终结局是否就是一片混沌的虚无呢?麦克斯韦妖就是一个假想中试图打破热力学第二定律的实验,这种假想中的妖怪可以控制和预测单个分子的运动,由此就可以避免熵的增加,并且制造出另类的第二类永动机。

几大物理神兽排名前十(物理学十大神兽排行)插图7

这就是物理学中的“四大神兽”,其实就是四个思想实验中的角色,这四个思想实验都是在某个理论不完善的情况下被提出来的,人类的物理学和科学永远不会完美,总会有各种各样新的的问题出现,也就会有各种不同的思想实验诞生!

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