物理学四大神兽解析：从决定论到量子迷雾

一次性看完物理学四大神兽会是怎样的震撼体验？拉普拉斯妖是一只被假想出来的妖精，它被赋予了全能的智慧，掌握着宇宙中每个原子的位置和动量，可以说全世界都被他掌控。如果拉普拉斯妖知道宇宙的初始状态和边界条件，就意味着宇宙中的一切事物，包括人类的行为和决策，都可以被物理定律所决定。但随着量子力学的出现，拉普拉斯妖的地位开始受到了动摇和挑战。量子力学中的不确定性原理表明，我们无法同时精确测量某些物理量，比如位置和动量。波函数坍塌也表明测量一个量子系统的状态会对其后续发展产生影响。这些现象说明，人类的行为并不是完全被物理定律所决定，人的意识会受到多种因素的影响，包括物理、社会、文化和个人因素的，因此我们不能简单的将人的行为和决策视为是被物理定律所决定的。逐渐的，人们看到了希望，恢复了自由的意志。但即便是这样，拉普拉斯决定论也未曾退出哲学舞台，它反而变得更加神秘、复杂。决定论与自由意志的关系，直到今天为止依然是个饱受争议的话题。

经典物理的决定论与时空悖论

芝诺的乌龟世界上跑的最快的人竟然连一只乌龟都追不上，假设让古希腊善于跑步的阿基里斯与一只乌龟进行赛跑，谁会拿冠军呢？为了公平起见，我们先让乌龟爬100米再进行追赶。阿基里斯的速度是每秒跑10米，乌龟的速度是每秒爬行1米。正常来讲阿基里斯肯定能轻松追上乌龟，因为它的速度是乌龟的十倍。然而诡异的事情发生了当阿基里斯跑完10米后，乌龟也已经向前爬行了1米。当阿基里斯在跑完这1米时，乌龟又向前爬行了0.1米。以此类推，每当阿基里斯追到乌龟先前所处的位置，乌龟只要不停，总会向前移动一小段距离。尽管这段距离会越来越小，但从逻辑推导来看，阿基里斯似乎永远无法追上乌龟，乌龟好像永远都能制造出新起点。时间和空间被无限分割，冠军仿佛陷入无限套娃的陷阱，这就是芝诺悖论，其本质是对时空连续性的质疑，同时也提出了一个深刻的问题，时间和空间究竟能否无限分割？是否存在最小的时间和空间单位？这个问题困扰了科学家两千多年，直到量子力学的诞生，这一难题才有了新的突破。在量子力学中，时间存在一个最小的单位，普朗克时间，空间也存在一个最小的单位普朗克长度，时空再也无法进行无限分割。当追击过程进入这个范畴时，乌龟再也无法制造出新起点，阿基里斯很快就能追上乌龟，成功打破芝诺悖论所构建的看似无解的逻辑循环难题。

热力学与量子力学的终极挑战

麦克斯韦妖这是一只被假想出来的妖精，能探测并控制单个分子的运动是1871年。物理学家麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而提出的著名思想实验。假设现在有一个绝热容器，我们将它隔成相等的两半，中间有一个小门，由小妖控制。容器中的空气分子在做无规则热运动时会不断的撞击在门上，但这只小妖却能准确探测并控制单个分子的运动方向，将移速较快的热分子放到一边，语速较慢的冷分子放到另一边，这样一来原本温度平衡的绝热容器两边就会出现温差，一边热一边凉。也就是说这只小妖精可以在不使用能量的情况下，让空间自动从混乱变为有序，这明显是有悖于热力学第二定律的。可这个设想的bug到底出在哪里呢？1929年，希拉德首次指出，如果麦克斯韦妖真的存在，那他观察分子速度及获取信息的过程必然会产生额外能量消耗，且这个过程的逻辑是不可逆的。后来香农又提出了信息论，信息熵的出现直接将这只妖精消灭，因为得到或者擦除信息时都同样需要消耗能量，即想要在处理分子信息时一定会产生熵增的情况。所以说，整个麦克斯韦妖设想并不违反热力学第二定律。如果热力学定律依依然是宇宙的铁律之一，他用几百年的时间告诉我们，熵增一定是不可逆的，热量永远无法自发的从低温物体转移到高温物体。如果想让空间变得有序，就必须付出更多的能量。作为一个孤立的系统，整个宇宙中的商也会随着时间的流逝而增加，慢慢由有序走向无序。当宇宙中的熵达到最大值时，有效能量已经全部转化为热能，所有物质温度也达到了热平衡。这种状态被科学家称为热寂，即宇宙的命运很可能是走向死亡，并最终变得完全黑暗。

薛定谔的猫1927年深秋，在比利时举办的第五届索尔维会议上，以爱因斯坦为首的传统物理学派和以波尔为首的哥本哈根学派就量子物理展开了激烈的辩论。波尔认为，任何物质在没有被观测前处于一种叠加态，也就是随机的状态，就我们的世界是随机和不确定的。但爱因斯坦认为这违背了物理学的基本定律。由此，两个学派展开了长达百年的世纪之战。为了反驳哥本哈根学派，同样支持爱因斯坦的薛定谔展开了一个大胆的思想实验，这就是闻名于世的薛定谔的猫。假设将一个原子设备放入一个不透明的箱子中，同时在箱子里还有一只可怜的猫。如果原子衰变，那么毒气瓶将被打破，猫就会被毒死。如果原子没有衰变，那么猫就会好好的活着。当盒子关闭时，我们看不到内部，所以两个原子处在衰变和不衰变的世界状态。因为原子的状态不确定，所以它是否打破了毒气瓶也不确定，而毒气瓶的状态不确定就会导致猫的状态也不确定。只有当我们打开箱子查看才能确定猫的生死。这时问题也随之出现，当我们没有打开箱子时，这只猫处在什么状态？大部分人首先想到的是要么是死的，要么是活的，概率分别为50%。但我可以毫不犹豫的告诉你，这种思考方式是完全错误的。量子力学的特别之处就在于它允许猫在死和活两种状态之间存在中间态氮，在经典物理的理解中，猫却只有死或活两种状态。到这里为止，薛定谔想表达的问题就出现了，他把量子效应放大到了我们的日常世界，就是为了证明一只不死不活的猫在现实世界中实在过于荒谬。这种叠加态根本无法用经典直观的语言去表达，所以这也是薛定谔的猫的独特之处。但这个推论如果成立，那么不仅仅是猫，所有的一切，当我们不去观察的时候，都是处在不确定的叠加状态，因为世间万物也都是由服从不确定性原理的原子所构成的。在此实验后，双方依然进行了无休止的争论，但让人遗憾的是，波尔和爱因斯坦还是未能在有生之年达成共识，并且直到今天，物理学界都没有一个人能给出近乎完美的答卷。从两学派长达百年的世纪辩论，到薛定谔的猫引发的众多思考，我们仿佛置身于一个越来越奇怪、越来越凶险、越来越让人捉摸不透的世界。至此，所有问题的起因都指向了导致经典物理学崩塌的那次事件，仰视双缝干涉实验。

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