物理学十分注重实验,最初的物理学理论就是从实验中总结而来的。任何物理理论创立之后,都需要经过实验的反复验证。爱因斯坦的相对论提出百年之后,至今还在接受一系列严苛实验的检验。
不过,有些实验在现实中很难实现,所以物理学家提出了思想实验,包括爱因斯坦、牛顿在内的很多大物理学家都有提出过。虽然只是思想上的实验,但它们引发人深省,并推动了物理学的发展。在这些思想实验中,有四个的名称与动物有关,它们被冠以物理学?四大神兽?。
(1)芝诺的乌龟
这是最早的?神兽?,由2480年前的古希腊哲学家芝诺提出,它又被称为芝诺悖论。试想一下,一个人以10米/秒的速度奔跑,一只乌龟以1米/秒的速度爬行。一开始,乌龟比人领先了100米,那么,人在什么时候会追上乌龟?
这个问题看似是一个简单的追及问题,只要人的跑动距离等于乌龟的领先距离加上乌龟的爬行距离,就能算出人会在出发后第11.11?(100/9)秒追上乌龟。
然而,如果换个角度来看,结果会完全不一样。第1秒,人跑了10米,乌龟领先人91米;第5秒,人跑了50米,乌龟领先人55米;第10秒,人跑了100米,乌龟领先人10米;第11秒,人跑了110米,乌龟领先人1米;第11.1秒,人跑了111米,乌龟领先人0.1米。
如果空间能够无限分割,乌龟和人之间的距离包含了无限多个点。因此,乌龟可以一直在人的前面,尽管只领先了一点。那么,这是否意味着人永远也走不完无限多个点来追上乌龟呢?
其实不然。乌龟一开始领先人100米,人跑动100米所需的时间为:
100/10秒=10秒
在这10秒期间,乌龟爬行的距离为:
10?1米=10米
这是10秒后乌龟领先人的距离,人再去追上这10米所需的时间为:
10/10秒=1秒
在这1秒期间,乌龟爬行的距离为:
1?1米=1米
这是1秒后乌龟领先人的距离,人再去追上这1米所需的时间为:
1/10秒=0.1秒
如此无限反复下去,人追上乌龟的时间为:
10+1+0.1+0.01+0.001+0.0001+?秒=11.11?秒,也就是100/9秒,所以人可以在有限时间内追上乌龟。
(2)薛定谔的猫
根据量子力学的哥本哈根诠释,在没有进行观测时,量子系统是处于不确定的叠加态。一旦进行观测,波函数坍缩,不确定性消失,量子系统将会变成一种确定的状态。这样的描述与我们的常识大相径庭,而且还会影响宏观世界。
于是,量子力学奠基人之一的薛定谔提出了这样的一个思想实验。在一个密闭的箱子中,放置一块放射性物质,如果它发生衰变,由此产生的粒子将会触发盖革计器放电,通过继电器释放出铁锤,铁锤掉下来砸破毒药瓶,引发箱子内的猫死亡。如果放射性物质没有衰变,箱子内的猫仍然是活着的。
根据哥本哈根诠释,在没有打开箱子进行观测时,放射性物质的衰变是不确定的,处于叠加态,这就会导致箱子内的猫也处于不确定的?又死又活?状态。这就是著名的薛定谔的猫。
对此,多世界诠释或者说平行宇宙理论被提出来。箱子内的猫其实既活着,又死了,这会衍生出两个互不相干的平行宇宙,每条时间线中的观测者都会观测到确定的状态。
(3)麦克斯韦妖
熵增定律表明,孤立系统的有序度只会越来越低,混乱度只会越来越高,这是不可逆转的过程。举个例子,水和乙醇混合之后,无法自发地分离出纯净的水和乙醇。由于整个宇宙被认为是孤立系统,这意味着宇宙注定在未来达到熵值最大的热寂状态,那时的宇宙将会陷入完全的死寂之中。
但根据著名物理学家麦克斯韦的设想,宇宙或许还有救,这就需要麦克斯韦妖。麦克斯韦妖可以控制每个粒子的运动,意味着这种?神兽?具有逆熵的能力,让混合后的水和乙醇分子单独分开,也能让宇宙中的其他粒子变得更有序,从而扭转宇宙的热寂结局。
(4)拉普拉斯妖
这只?神兽?最初由物理学家、数学家拉普拉斯提出。从微观上来看,宇宙万物都是粒子,宇宙的运转是所有粒子***同运动的结果。拉普拉斯妖知道宇宙中所有粒子的动量和位置,所以宇宙中发生的一切事情都是注定的,而且都能被计算出来。
但随着量子力学的发展,物理学家意识到微观世界被不确定性所支配,我们根本不可能同时准确测出一个粒子的动量和位置。另外,根据混沌理论,在我们试图计算粒子的未来时,我们的计算行为会影响到粒子的运动,这种差异会被逐渐放大,从而导致结果变得不可预测。
最后,如果让这物理学四大神兽互相掐架,大家觉得谁会赢呢?