物理學中的“四大神獸”

趙君鵬

為了更好地闡述自己的想法，物理學家喜歡通過講故事來進行形象的說明。物理學界的“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

古希臘哲學家芝諾曾講過這樣一個故事：烏龜和阿喀琉斯賽跑。阿喀琉斯身為海洋女神之子，號稱希臘第一勇士，身體強壯，奔跑速度比烏龜快十倍。賽跑時，他很有體育精神，讓烏龜先跑一百米，然后自己才發力追趕。等到他跑了一百米時，烏龜比他領先十米;等他又追了十米時，烏龜比他領先了一米。如此反復，阿喀琉斯什么時候能追上這只烏龜呢？在注重嚴密推理和嚴謹論證的物理學界，這個問題困擾了物理學家兩千年。其實單靠物理學是無法解釋清楚這個問題的，因為它涉及數學的極限概念。這個問題一直到微積分這門學科的創立才得到解決。

拉普拉斯獸

兩百年前，法國物理學家拉普拉斯根據牛頓定律，設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原子的位置和動量，并且會通過牛頓的物理公式計算出宇宙的過去和未來。人們管拉普拉斯設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家很久。1927年，德國物理學家海森堡提出，在微觀世界中不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度，也就是說，粒子的狀態是不確定的，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。如果兩個水箱中的水完全混合，水溫將是50攝氏度。英國物理學家麥克斯韋就想：為什么不能是一個20攝氏度，另一個80攝氏度呢？1871年，他設想出一個精靈，它能夠探測出分子運動的速度。混合冷熱不同的水之后，精靈迅速出擊，將運動慢的水分子移到左邊，再將運動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？這個精靈被人稱作麥克斯韋妖。如果這樣的精靈真實存在，創造永動機將成為現實，宇宙的壽命也將會變得無限長。

在1948年，一個新的學說——信息熵產生了。通過這個學說，人們得知麥克斯韋妖要獲知分子運動速度，勢必損耗分子的能量。也就是說，在麥克斯韋妖探知和搬運分子的過程中，分子運動速度始終處于不確定狀態。所以，麥克斯韋妖是不可能實現它的目標的。

薛定諤的貓

“活著還是死去？”這個問題讓哈姆雷特很頭疼。但對“薛定諤的貓”來說，這根本不是事兒，因為這只貓可以“既死又活”。1935年，奧地利量子力學家薛定諤提出了這樣一個設想：將一只貓關在裝有毒藥和少量鐳的鐵盒子里。如果鐳已經發生衰變，觸發機關打碎裝有毒藥的瓶子，貓就會死;如果鐳尚未發生衰變，貓就存活。根據量子力學理論，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的疊加狀態，貓會處于死貓和活貓的疊加狀態，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。要想認識這只貓，我們得先了解一下什么是量子力學。20世紀初，一些物理學家共同創立了量子力學，他們認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中，能同時擁有兩個相反的特性。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”，而在量子力學看來，粒子是可以處于“既在咖啡館又在路上”的狀態的。

物理學中的四大神獸，分別以形象生動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。雖然在物理學發展的過程中，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了物理學的發展。

（選自2019年第12期《知識窗》，本刊有改動）