物理学四大神兽！今分享一些有意思的东西~~

本文主要是介绍物理学四大神兽！今分享一些有意思的东西~~，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

前言

这是今天看到网易推到我的一个话题，点进去花了些时间看完了全部。还蛮有意思的，在这里做一些分享吧~

物理学中有非常多的思想实验，其中有四个比较出名，即芝诺的龟、拉普拉斯的妖、麦克斯韦的妖和薛定谔的猫。这四个思想实验中的龟、妖、妖和猫也被戏称为物理学四大神兽。从本篇开始，我将写四篇文章对上述四个思想实验做较为深入的解读和分析。

物理学四大神兽

1.芝诺的乌龟
我们在平时阅读或聊天中偶尔会碰到一个词——“悖论”。那到底什么是悖论呢？悖论是怎么发生的呢？我们应该怎么破破解遇到的悖论呢？

百度百科对“悖论”给出的定义是：悖论指的是表面上同一命题或推理中隐含着两个对立的结论，而这两个结论都能自圆其说。悖论的抽象公式就是：如果事件A发生，则推导出非A，非A发生则推导出A。

简单说就是一句自相矛盾的话，或一段自相矛盾的论证。

这样仅给出定义好像还是很难直观地理解悖论，那我们今天就以历史上最著名的悖论——芝诺悖论为例，好好体会一下悖论到底“悖”在哪里。

先简单介绍一下芝诺吧，芝诺生活于公元前5世纪，是著名的数学家和哲学家，他的家乡在意大利半岛一个叫埃利亚的地方，古希腊哲学中有一个很著名的哲学学派就叫埃利亚学派。芝诺和他的老师巴门尼德都属于其中的代表人物，他们的观点粗暴点儿理解就是唯心主义，他们认为世界是一个不可分割的、没有空隙的整体，既然如此，世界万物就不能运动（因为没有闲余空间）。总之这个学派否认多样化，否认运动变化。
在这里插入图片描述之所以费这么多口舌介绍埃利亚学派的基本观点，是因为今天要介绍的芝诺悖论就是为维护这些观点而提出的。

据说芝诺一共提出过四十多个悖论，但最著名的是四个，而今天我们只选择其中最耳熟能详的两个介绍给大家。

其中一个叫“阿基琉斯追不上乌龟”。阿基琉斯是古希腊非常著名的运动员，擅长跑步，而乌龟又是速度很慢的动物。如果让阿基琉斯落后乌龟一百米，然后追赶乌龟（假设乌龟的速度是0.1m/s,阿基琉斯比乌龟快100倍，是10m/s），会怎么样呢？我们一定认为这不费吹灰之力，阿基琉斯一定会很快追上。

但是，芝诺认为阿基琉斯永远追不上乌龟，理由是：假如刚出发的时候，阿基琉斯在A点，乌龟在B点。经过一段时间之后他赶到了B点，而乌龟却也往前走了一段——比如到达了C点；阿基琉斯又从B点开始追，等到赶到C点时，乌龟又往前走了一段，到了D点……总之，阿基琉斯每赶到乌龟之前的落脚点，乌龟就已经往前走了一段，虽然它们之间的距离永远在缩小，但他永远追不上乌龟！
在这里插入图片描述看到这里，很多同学会马上反驳说：二者之间的距离在不断缩小，就一定会在某个时刻缩小为零，那个时候就赶上了呀?!但是我们注意，这个思想实验之所以可怕，就在于它没有设定二者距离为零的情况，它们的差距可以被演绎到无限缩小，但永远不能为零。因为乌龟在不停的运动，这意味着，不管时间多短，乌龟都会离开阿基琉斯之前定下的的目标往前移动一点点！

是不是很抓狂？

还有更抓狂的——“飞矢不动”。我们都知道，射出去的箭在飞行过程中是一直处于运动状态的。但是芝诺提醒我们，如果把飞行的这段时间分成无数个瞬间，我们发现这支箭在每个瞬间都有一个固定的位置——如果我们用摄像机拍下整段视频，我们发现这段视频可以分成无数帧，而且每一帧中（也就是每一瞬间中），这支箭都是静止不动的。既然箭在这个过程中的每一个瞬间都没有动，那么整段时间中，这支箭也根本就没动！
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有没有觉得这两个悖论很讨厌？它们讨厌在哪里呢？它们的讨厌之处就在于用看似无懈可击的逻辑理性演绎出了违背常识的结论。这两个违背常识的结论都是在否认运动。这就是上文提到的，在维护埃利亚学派的基本观点。

那么针对悖论，我们怎样才能给予专业、痛快的反驳呢？

这个时候切忌轻率地用自己的思维自说自话式的“解决”它，比如对于“阿基琉斯悖论”，我们甚至可以计算出阿基琉斯可以在大约11秒左右赶上乌龟，但这不能算是反驳了这个悖论。芝诺本来是一位数学家，更是一位正常人，他肯定也知道阿基琉斯一定会追上乌龟，所以我们这么说是白搭。

那应该怎么办呢？面对悖论，不能指出或者强调它的事实错误，而是要跳到它的逻辑内部理解它，然后指出它的逻辑错误，并指出其是如何导致悖论的，说明白这些就相当于反驳了这个悖论。

我们先来看“阿基琉斯悖论”是怎样导致悲剧的：其实这个悖论模糊了一个概念——“无限”。“无限”作为一个事物的属性，描述的到底是这个事物的什么呢？也就是说，当我们说一个事物是“无限”的时候，我们指的是什么意思？这个悖论中的所谓“无限”，就是阿基琉斯在追上乌龟之前的这段空间距离（方便起见，这段距离为A-Z）可以无限分割成无限小的距离段。阿基琉斯并不是在努力跑向那个Z点，赶上乌龟，而是在完成乌龟留下的一个又一个越来越短的但又无限多的距离段。因为这些距离段有无限个，所以他永远也完成不了它们。
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如果说有一段无限长的、只有起点没有终点的距离，那么阿基琉斯就是跑得再快，也是无法穷尽的。但是这个悖论里的“无限”，指的是对一个定值（线段A-Z）的无限分割，也就是说A-Z这段距离虽然是无限可分的，但是这些无限的部分加起来的总量却是一个定值，总长始终是A-Z，即这是一种“有限”的“无限”。换句话说，阿基琉斯追乌龟这件事的无限，只不过指的是在思维世界中（注意：是在思维世界中），他要完成的步骤是无限多的；而在现实世界中，他只需要11秒就能完成此事。

再来看“飞矢不动”悖论：其实这个悖论也模糊了一个概念——“瞬间”。瞬间到底应该是一个极短但却有长度的“时间段”——就像线段——呢？还是一个没有长度——就像点——的“时刻”呢？一支箭飞行的过程是一大段有长度的时间段，所以它就算被分割的再细，其组成部分也应该是一段一段极小的时间段，而不是像点一样的“时刻”。时间段是运动发生的必要条件，每一场运动都必定发生在一段时间中（不管它有多短）。但在某一时刻中却不能谈运动，而只能谈位置。芝诺正是用“时刻”偷换了“瞬间”。

就这样，我们算是大致搞清楚了这两个悖论如何发生的原因，当然也就反驳了它们，他们的错误在于概念的混淆，或逻辑形式的混乱。

看到这里，大家可能会产生一个问题：历史上这些哲学家们制造这些悖论到底有什么意义呢？毕竟连他们自己也不会相信这些悖论啊！但其实这些悖论对于锻炼我们的思维，促进思想的发展有很重要的意义。就像头疼脑热的小病反而会锻炼我们的抵抗力一样，芝诺悖论和很多其他逻辑学上有趣的悖论一次又一次地提醒哲学家和逻辑学家们去反思自己的思维框架和习惯，人类就是在这种反思和检讨中战胜无聊、不断进步的。

2.拉普拉斯兽
这就是著名的决定论，也是我们通常喜欢说的物理学四大神兽——拉普拉斯妖

就是说宇宙现在的状态就是过去的结果，同时也是未来的原因！一切都是可预测的！
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说穿了，就是假如有这么一个智者，能够清楚的知道宇宙中某一刻当中所有的物质，包括微观粒子。他能知道所有物质的运动状态和位置，还有所受到的力。而且这个智者，还拥有足够强大的运算能力，能够分析并对数据进行处理！

那么宇宙当中所有的变化就将包含在一条简单的公式当中，所以对于这个智者而言，就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！这就是所谓的拉普拉斯妖！！！

还别说，当时刚提出这个想法的时候，还真有人相信，而且还是很多人选择相信！因为这也没办法嘛，就是那个时候的人类知识的局限性。因为那个时候人类的手里面才有几个定律嘛！就没有几个。。。

但是随着科学的逐渐发展，这只拉普拉斯妖就逐渐的销声匿迹了。

3.麦克斯韦妖
麦克斯韦假想，宇宙中有这么一种机制（当然是假想的），这种机制宛如一个拥有亿万级显微镜的智者，他窥探到了每个分子的一举一动。假如有一个完全与外界隔绝的箱子，中间用一块完全隔热的板子隔开，出了一个小门，而麦克斯韦妖就站在小门前。

他站在门前，盯住了每一个分子，如果是运动快的分子（势能高，即比较热）他就不让这个分子过去，如果是运动比较慢的分子（势能低，即比较冷）他就放它过去。久而久之，原本温度平衡的箱子，就出现了一半热一半冷的现象。这个是与热力学第二定律相悖的，根据熵增定理，上诉过程相反一下才是正确的。
在这里插入图片描述这只妖的出现，与拉普拉斯兽让人绝望不同，他是整个宇宙的救星！因为热力学第二定律告诉我们，宇宙的熵一直在增加，最后，整个宇宙都会归于一片寂静，死气沉沉。人类目前即便发展到能移民外星又怎样？所有的结局都是已经注定好了的，宇宙终将灭亡！（虽然灭亡时间长到令人宽一万个心）
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这头妖的出现，让人们意识到，宇宙或许还有救。而且倘若真的存在，第二类永动机没准真的能实现。很多人说这种妖在放分子过去的时候是在做功的，消耗了能量，才使得熵减少，但是真实情况是这些分子都是自己在运动的，自己去撞小门的，麦克斯韦要只是做了一下判断而已，并没有做功。

麦克斯韦妖的末日

其实很多人说这种妖在放分子过去的时候是在做功的，消耗了能量。其实没错，麦克斯韦妖的确需要消耗能量，但并不是在放分子的过程，而是在判断分子快慢的过程中。

现在，物理学已经证明，信息是有能量的！是负熵！信息消除之时，会释放出相应的能量，熵增加了！也就是说麦克斯韦妖，其实还是没有违背物理学第二定律。

4.薛定谔的猫
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“薛定谔的猫”是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的有关猫生死叠加的著名思想实验，是把微观领域的量子行为扩展到宏观世界的推演。这里必须要认识量子行为的一个现象——观测。微观物质有不同的存在形式，即粒子和波。通常，微观物质以波的叠加混沌态存在；一旦观测后，它们立刻选择成为粒子。实验是这样的，在一个盒子里有一只猫，以及少量放射性物质。之后，有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫，同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来 [1] 。
根据经典物理学，在盒子里必将发生这两个结果之一，而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。在量子的世界里，当盒子处于关闭状态，整个系统则一直保持不确定性的波态，即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后，外部观测者观测时，物质以粒子形式表现后才能确定。这项实验旨在论证量子力学对微观粒子世界超乎常理的认识和理解，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。