物理四大神兽

『叁』 物理学的四大神兽，除了薛定谔的猫还有哪些

物理学的四大神兽分别是薛定谔的猫、拉普拉斯妖、麦克斯韦妖、芝诺龟

薛定谔的猫是为了反击海森堡的测不准原理而诞生的，海森堡的测不准原理则是指，你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度，粒子位置的不确定性，必然大于或等于普朗克常数除于4π（ΔxΔp≥h/4π）。

薛定谔提出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。

在过去的几十年里，物理学家成功地在实验室中实现了多种薛定谔猫态，将物质微粒转变为“既是 A 又是 B”的叠加态，并探测它们的性质。

1687年牛顿发表了《自然哲学的数学原理》，这是第一次科学革命的集大成之作,被认为是古往今来最伟大的科学著作，这本书标志着牛顿经典力学体系的建立，预示着科学时代的到来。而这本书也阐释了牛顿的宇宙观，牛顿认为世界就好像一个钟表，当钟表师傅完成装配之后，将钟表上发条，接著钟表会自行运作，师傅不会再过问。

所以牛顿一直也就认为宇宙存在第一推动力，他是这样说的: “一切物体开始运动必有第一推动力,那就是造物主”。也就是上帝（第一推动力）给整个宇宙上好发条之后，整个宇宙就开始自行运转。第一推动力帮助牛顿解决了“太阳系如何形成”、“地球何以会绕太阳运转”这些问题。

牛顿的机械宇宙观也影响了他的铁粉拉普拉斯。

拉比牛顿更为极端，牛顿还认为宇宙存在第一推动力，而拉普拉斯则认为世间万物（包括人类、社会）都逃不过确定的物理定律的掌控，所以也就不存在什么上帝，世间万物都是按照其既有规律来运动发展，所以他认为宇宙不存在什么上帝。

拉普拉斯指出：我们可以把宇宙现在的状态视为其过去果以及未来的因。如果一个智能知道某一刻所有自然运动的力和所有自然构成的物件的位置，假如他也能够对这些数据进行分析，那宇宙里最大的物体到最小的粒子的运动都会包含在一条简单公式中。对于这智者来说没有事物会是含糊的，而未来只会像过去般出现在他面前。

简单来说就是存在一个智者，能够清楚的知道宇宙中某一刻当中所有的物质，包括宇宙中每个原子确切的位置和动量。他能知道所有物质的运动状态和位置，还有所受到的力。还能够使用牛顿定律来展现宇宙事件的整个过程，过去以及未来。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！

这个智者就是拉普拉斯妖，拉普拉斯妖是基于经典力学可逆过程而诞生的。可逆性是指时间反演，即过程按相反的顺序进行。在经典力学的运动方程中，把时间参量 t换成-t，就意味着过程按相反的顺序历经原来的一切状态，最后回到初始状态。

正是因为基于力学过程的可逆性，所以拉普拉斯妖才可以做到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！

但是后来克劳修斯提出了热力学第二定律，也就是熵增定律：

在绝热条件下，只可能发生dS≥0 的过程，其中dS = 0 表示可逆过程；dS>0表示不可逆过程,dS<0 过程是不可能发生的。但可逆过程毕竟是一个理想过程。因此，在绝热条件下，一切可能发生的实际过程都使系统的熵增大，直到达到平衡态。

绝热过程是一个绝热体系的变化过程，即体系与环境之间无热量交换的过程。在绝热过程中，Q = 0 ，有ΔS（绝热）≥ 0（大于时候不可逆，等于时候可逆） 或 dS（绝热）≥0 (>0不可逆；=0可逆)

熵增原理的出现表示经典力学的可逆性并不适用于所有情况，它只在有普遍的力学原理做保证的情况下才准确，热运动就是一个不可逆的过程。

热力学第二定律的出现彻底击杀了拉普拉斯妖，也宣告了牛顿机械宇宙论的破产。

麦克斯韦妖：想要拯救宇宙的小妖精

同样是源自于热力学第二定律，热力学第二定律的提出导致了热寂说一度流行，热寂说将熵增原理扩大到整个宇宙，将整个宇宙当成一个孤立系统，认为宇宙的熵会趋向极大，最终达到热平衡状态，即宇宙每个地方的温度都相等。

麦克斯韦在听到热寂说之后，立即脑洞大开，首先从概率统计的角度认真思考这个假说，意识到对于宇宙这种“开放系统”来说，一定存在某种机制，使得在某种条件下，会存在貌似“违反了”热力学第二定律的情况。

1871年，他在《热理论》一书的末章《热力学第二定律的限制》中，设计了一个假想的存在物，即著名的“麦克斯韦妖”（Maxwell'sdemon）。

在麦克斯韦构想中，麦克斯韦妖有极高的智能，可以追踪每个分子的行踪，并能辨别出它们各自的速度。这个理想实验如下：

“我们知道，在一个温度均匀的充满空气的容器里的分子，其运动速度决不均匀，然而任意选取的任何大量分子的平均速度几乎是完全均匀的。现在让我们假定把这样一个容器分为两部分，A和B，在分界上有一个小孔，在设想一个能见到单个分子的存在物，打开或关闭那个小孔，使得只有快分子从A跑向B，而慢分子从B跑向A。这样，它就在不消耗功的情况下，B的温度提高，A的温度降低，从而与热力学第二定律发生了矛盾"。

而这个存在物就是“麦克斯韦妖”，小妖精掌握和控制着高温系统和低温系统之间的分子通道。它利用了分子运动速度的统计分布性质。因为根据麦克斯韦分布，即使是低温区，也有不少高速分子，高温的系统中也有低速度的分子，通过这样一个能够控制分子运动的小妖精，在两系统的中间设置一个门，只允许快分子从低温往高温运动，慢分子则从高温往低温运动，在“小妖”的这种管理方式下，两边的温差会逐渐加大，高温区的温度会越来越高，低温区的温度越来越低。

那么究竟会不会存在麦克斯韦小妖呢？因为如果麦克斯韦小妖真的存在的话，热寂说就不攻自破，宇宙就“得救” 了，除此之外，我们就有可能造出违反热力学第二定律的第二类永动机。从单一热源吸取热量使之完全变成有用功并且不产生其他影响就是第二类永动机。

1961年，美国IBM的物理学家罗夫·兰道尔提出并证明了提出了一个著名的把信息理论和物理学的基本问题联系起来的定理——兰道尔原理，这个原理就是：擦除1比特的信息将会导致kBln2的热量的耗散。

这个原理也解释了我们的电脑为什么会不断发热，比如我们删除了电脑里存储的一段资料，假设一个随机二元变量的熵是1比特，具有固定数值时的熵为0，消除信息的结果使得这个2元系统的熵从0增加到1比特，必然有电能转换成了热能被释放到环境中，所以我们的电脑不断发热。

兰道的同事贝内特敏锐地发现这个原理可以适用于“麦克斯韦妖”身上，他经过不断研究，在1982年的论文里表示：不耗散能量的“麦克斯韦妖”不存在，并且，这种耗散是发生在“妖”对上一个判断“记忆”的消除过程中，“遗忘”需要以消耗能量为代价，这个过程是逻辑不可逆的。

而2003年，贝内特更是总结道： 任何逻辑上不可逆的信息操纵过程，例如擦除1比特的信息，或者是合并两条计算路径，一定伴随着外部环境或者是信息存储载体以外的自由度的熵增。

从而将麦克斯韦妖彻底从热力学第二定律中驱逐了出去，但是并没有彻底击杀麦克斯韦妖，它在物理学中还有很大的作用。

芝诺龟：极限难题终引发数学大危机

阿基里斯（又名阿喀琉斯）是古希腊神话中善跑的英雄。在他和乌龟的竞赛中，他速度为乌龟十倍，乌龟在前面100米跑，他在后面追，但他不可能追上乌龟。因为在竞赛中，追者首先必须到达被追者的出发点，当阿喀琉斯追到100米时，乌龟已经又向前爬了10米，于是，一个新的起点产生了；阿喀琉斯必须继续追，而当他追到乌龟爬的这10米时，乌龟又已经向前爬了1米，阿喀琉斯只能再追向那个1米。就这样，乌龟会制造出无穷个起点，它总能在起点与自己之间制造出一个距离，不管这个距离有多小，但只要乌龟不停地奋力向前爬，阿喀琉斯就永远也追不上乌龟！

“乌龟” 动得最慢的物体不会被动得最快的物体追上。由于追赶者首先应该达到被追者出发之点，此时被追者已经往前走了一段距离。因此被追者总是在追赶者前面。”

这就是在芝诺悖论下诞生的芝诺龟，这个悖论之所以会产生，是因为芝诺与我们采取了不同的时间系统。人们习惯于将运动看做时间的连续函数，而芝诺的解释则采取了离散的时间系统。即无论将时间间隔取得再小，整个时间轴仍是由无限的时间点组成的。换句话说，连续时间是离散时间将时间间隔取为无穷小的极限。

这个问题在很长一段时间都没有被解决。因为这涉及到极限问题，而当时实数理论并没有得到完善。

后来，牛顿的微积分因为“无穷小量究竟是否为0”这个争议将极限问题引发的数学危机掀至高潮，差点颠覆了整个数学大厦。

后来，在魏尔斯特拉斯“分析算术化”运动的引领下，实数理论得到完善，极限问题得到解决，芝诺龟也被顺利消灭。

这就是物理四大神兽，它们的出现可以说促进了科学的大发展。

『肆』 物理学界的四大神兽除了「薛定谔的猫」,还有谁

芝诺的乌龟，拉普拉斯魔，麦克斯韦妖，还有薛定谔的猫，其实我觉得还应该加上洛伦兹的蝴蝶，至于巴甫洛夫的狗和摩尔根果蝇就不算了，因为神兽都是思想实验中的，就是说实际上不存在，而狗和果蝇是实际存在的。

薛定谔的猫（英文名称：Schrödinger’s Cat）是奥地利著名物理学家薛定谔（Erwin Schrödinger, 1887年8月12日～1961年1月4日）提出的一个思想实验，是指将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死。

如果镭不发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。但是，不可能存在既死又活的猫，则必须在打开容器后才知道结果。

该实验试图从宏观尺度阐述微观尺度的量子叠加原理的问题，巧妙地把微观物质在观测后是粒子还是波的存在形式和宏观的猫联系起来，以此求证观测介入时量子的存在形式。随着量子物理学的发展，薛定谔的猫还延伸出了平行宇宙等物理问题和哲学争议。

薛定谔猫态含义：

美国科学家宣布，他们成功让6个铍离子系统实现了自旋方向完全相反的宏观量子叠加态，也就是量子力学理论中的“薛定谔猫”态。

根据量子力学理论，物质在微观尺度上存在两种完全相反状态并存的奇特状况，这被称为有效的相干叠加态。由大量微观粒子组成的宏观世界是否也遵循量子叠加原理？奥地利物理学家薛定谔为此在1935年提出著名的“薛定谔猫”佯谬。

“薛定谔猫”佯谬假设了这样一种情况，将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。

根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。

显然，既死又活的猫是荒谬的，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。薛定谔想要借此阐述的物理问题，宏观世界是否也遵从适用于微观尺度的量子叠加原理。

“薛定谔猫”佯谬巧妙地把微观放射源和宏观的猫联系起来，旨在否定宏观世界存在量子叠加态。然而随着量子力学的发展，科学家已先后通过各种方案获得了宏观量子叠加态。

此前，科学家最多使4个离子或5个光子达到“薛定谔猫”态。如何使更多粒子构成的系统达到这种状态并保存更长时间，已成为实验物理学的一大挑战。

『伍』 物理学四大神兽是哪些

物理学的四大神兽都有芝诺的乌龟、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖、薛定谔的猫。

分别对应微积分、经典力学、热力学第二定律和量子力学。

芝诺的乌龟时空双修能缩地成寸，拉普拉斯兽明察大道推演万物，麦克斯韦妖操控万物逆转阴阳，薛定谔的猫能制造宇宙超越生死。这四种伟大的神话生物既善良又邪恶。它们不仅困扰着聪明的科学家，也为试图进化成神的人类指明了道路。

(5)物理四大神兽扩展阅读：

公元前464年，物理帝国的世纪体育竞赛开始了，芝诺的乌龟与海神之子阿喀琉斯赛跑。阿喀琉斯体格强壮，肌肉发达，四肢强壮。芝诺的乌龟短小精悍，有着像火炬一样的豆眼和结实厚重的龟壳。芝诺乌龟以身体状况不佳为由申请提前100米跑。

拉普拉斯是经典力学在19世纪最厉害的马前卒，他吸纳毕达哥拉斯“万物皆数”之力，结合天体力学、概率论等思想精华，创造了宏观经典力学的守护神兽拉普拉斯兽。

『陆』 物理学四大神兽死了哪三个

1、芝诺龟

古希腊数学家和哲学家芝诺在当年提出过一种乌龟，这只乌龟有一个特点，就是你永远无法追上它。假设你的速度是这只乌龟的十倍，那么你依旧只能在追赶时无限的逼近它，但是你始终无法超越它，这个问题一直困扰了人类很多年。直到后来牛顿与莱布尼茨发明了微积分，牛顿才用微积分的方法破解了芝诺龟悖论。

2、拉普拉斯兽

1814年法国数学家皮埃尔西蒙塔普拉斯构想了一种神兽名叫拉普拉斯兽。在拉普拉斯的设想中，这个神兽可以清楚地知道这个宇宙中每一个微观粒子的运动数据与运动状态。这时，我们就可以用简单基本的牛顿定律去计算所有微观粒子之前与之后的状态。换句话说，这只拉普拉斯兽可以预知未来。

然后拉普拉斯兽没能如愿以偿，上世纪发展的量子力学表明了我们的宇宙并不是确定的，不确定性才是宇宙的本质，因此拉普拉斯兽夭折了。

3、麦克斯韦妖

麦克斯韦妖是1871年由电磁学领域的大佬詹姆斯麦克斯韦提出的。这个神兽是为了说明违反热力学第二定律而专门虚构出来的一个妖怪，这只妖怪可以控制单个分子的运动。

从而让这些分子对外做功进而就可以实现第二类永动机。但是这个麦克斯韦妖只是一种思想上的假设，现实中是不可能的存在不需要消耗能量就能自动对分子进行识别的装置的。信息熵会啪啪的打脸。

因此在这种情况下，热力学第二定律依然还是牢不可破的宇宙铁律，因此永动机依然是不可能实现的。

四大神兽的能力：

1.芝诺的乌龟：缩地成寸。

2.拉普拉斯兽：善推演，能知万物。

3.麦克斯韦妖：逆转时空。

4.薛定谔的猫：超越生死。