物理學(xué)中的“四大神獸”

趙君鵬

為了更好地闡述自己的想法，物理學(xué)家喜歡通過講故事來進(jìn)行形象的說明。物理學(xué)界的“四大神獸”便是這樣誕生的，它們分別是芝諾的烏龜、拉普拉斯獸、麥克斯韋妖和薛定諤的貓。

芝諾的烏龜

古希臘哲學(xué)家芝諾曾講過這樣一個(gè)故事：烏龜和阿喀琉斯賽跑。阿喀琉斯身為海洋女神之子，號(hào)稱希臘第一勇士，身體強(qiáng)壯，奔跑速度比烏龜快十倍。賽跑時(shí)，他很有體育精神，讓烏龜先跑一百米，然后自己才發(fā)力追趕。等到他跑了一百米時(shí)，烏龜比他領(lǐng)先十米;等他又追了十米時(shí)，烏龜比他領(lǐng)先了一米。如此反復(fù)，阿喀琉斯什么時(shí)候能追上這只烏龜呢？在注重嚴(yán)密推理和嚴(yán)謹(jǐn)論證的物理學(xué)界，這個(gè)問題困擾了物理學(xué)家兩千年。其實(shí)單靠物理學(xué)是無法解釋清楚這個(gè)問題的，因?yàn)樗婕皵?shù)學(xué)的極限概念。這個(gè)問題一直到微積分這門學(xué)科的創(chuàng)立才得到解決。

拉普拉斯獸

兩百年前，法國物理學(xué)家拉普拉斯根據(jù)牛頓定律，設(shè)想宇宙間存在一只神獸，它神通廣大，無所不知，能知道宇宙間每一個(gè)原子的位置和動(dòng)量，并且會(huì)通過牛頓的物理公式計(jì)算出宇宙的過去和未來。人們管拉普拉斯設(shè)想出的這只神獸叫拉普拉斯獸。

這只“上知五百年，下知五百年”的神獸并沒有困擾物理學(xué)家很久。1927年，德國物理學(xué)家海森堡提出，在微觀世界中不可能同時(shí)知道一個(gè)粒子的位置和它的速度，也就是說，粒子的狀態(tài)是不確定的，這就是“不確定性原理”。再厲害的神獸也無法知道微觀世界的全部面貌，所以即使在虛擬世界里，洞悉萬物的神獸也是不存在的。

麥克斯韋妖

兩個(gè)容積相同的水箱，左邊的水溫40攝氏度，右邊的水溫60攝氏度。如果兩個(gè)水箱中的水完全混合，水溫將是50攝氏度。英國物理學(xué)家麥克斯韋就想：為什么不能是一個(gè)20攝氏度，另一個(gè)80攝氏度呢？1871年，他設(shè)想出一個(gè)精靈，它能夠探測出分子運(yùn)動(dòng)的速度。混合冷熱不同的水之后，精靈迅速出擊，將運(yùn)動(dòng)慢的水分子移到左邊，再將運(yùn)動(dòng)快的水分子移到右邊。這樣一來，不就是左邊的水溫低，右邊的水溫高了嗎？這個(gè)精靈被人稱作麥克斯韋妖。如果這樣的精靈真實(shí)存在，創(chuàng)造永動(dòng)機(jī)將成為現(xiàn)實(shí)，宇宙的壽命也將會(huì)變得無限長。

在1948年，一個(gè)新的學(xué)說——信息熵產(chǎn)生了。通過這個(gè)學(xué)說，人們得知麥克斯韋妖要獲知分子運(yùn)動(dòng)速度，勢必?fù)p耗分子的能量。也就是說，在麥克斯韋妖探知和搬運(yùn)分子的過程中，分子運(yùn)動(dòng)速度始終處于不確定狀態(tài)。所以，麥克斯韋妖是不可能實(shí)現(xiàn)它的目標(biāo)的。

薛定諤的貓

“活著還是死去？”這個(gè)問題讓哈姆雷特很頭疼。但對(duì)“薛定諤的貓”來說，這根本不是事兒，因?yàn)檫@只貓可以“既死又活”。1935年，奧地利量子力學(xué)家薛定諤提出了這樣一個(gè)設(shè)想：將一只貓關(guān)在裝有毒藥和少量鐳的鐵盒子里。如果鐳已經(jīng)發(fā)生衰變，觸發(fā)機(jī)關(guān)打碎裝有毒藥的瓶子，貓就會(huì)死;如果鐳尚未發(fā)生衰變，貓就存活。根據(jù)量子力學(xué)理論，在人們打開盒子觀察之前，由于放射性的鐳處于衰變和沒有衰變兩種狀態(tài)的疊加狀態(tài)，貓會(huì)處于死貓和活貓的疊加狀態(tài)，也就是說，這只貓既死又活。

雖然這只貓和砸在牛頓頭上的那個(gè)蘋果一樣有名，但顯然“既死又活的貓”不像萬有引力那樣容易理解。要想認(rèn)識(shí)這只貓，我們得先了解一下什么是量子力學(xué)。20世紀(jì)初，一些物理學(xué)家共同創(chuàng)立了量子力學(xué)，他們認(rèn)為微觀世界和宏觀世界有著很大的不同。比如粒子可以存在于疊加狀態(tài)中，能同時(shí)擁有兩個(gè)相反的特性。舉例來說，生活中我們常說“不是在咖啡館，就是在去咖啡館的路上”，而在量子力學(xué)看來，粒子是可以處于“既在咖啡館又在路上”的狀態(tài)的。

物理學(xué)中的四大神獸，分別以形象生動(dòng)的方式闡明了各自提出者的想法，從而引起了人們的極大興趣。雖然在物理學(xué)發(fā)展的過程中，有些神獸的“超能力”被證明不可能存在，但是它們也以自己的方式推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展。

（選自2019年第12期《知識(shí)窗》，本刊有改動(dòng)）