科学界六大神兽

重庆宏文

​读书时读到薛定谔猫的章节，顺便整理一下科学界其他几大神兽。
1. 经典力学——拉普拉斯兽
1814年，一个名叫拉普拉斯的法国数学家（提出了拉普拉斯方程的哥们）写了这么一段话：

我们可以把宇宙现在的状态视为其过去的果以及未来的因。如果一个智者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。

这个所谓的智者，就被称为拉普拉斯兽。




简而言之就是一切都是可以预测的，你的未来早已注定，类似于宿命论。
这只妖兽在将牛顿力学奉为揭示万物宇宙的真理时候确实被许多人所相信，一如信奉“生死有命，富贵在天”。
然伴随热力学、量子力学等的发展，该兽便销声匿迹。
所以与其将“一切皆是命中注定”作为借口，不如相信“谋事在人”，人生海海，未来无限。
2. 微积分——芝诺的乌龟
阿喀琉斯（Achilles）是希腊神话中海洋女神忒提斯和英雄珀琉斯之子，半神，希腊联军第一勇士。烟鬼组合（The Chainsmokers）和酷玩乐队（Coldplay）合作的歌曲《Something Just Like This》还有唱到过：“I’ve been reading books of old. The legend and myths. Achilles and his gold. Hercules and his gifts~~”
一天，一个名叫芝诺（Zeno）的数学家对他说，老阿啊，别看你天生神力，英雄盖世，这些都没啥卵用，你都跑不赢一直小龟龟。哎哎哎，头顶三丈高的火灭一灭先，我细细说来。
假设你的速度是小龟龟的10倍（没有恶意…当然我为了方便计算…），小龟龟在你前面1000米处开始跑，你在后面追，当你追到1000米时，小龟龟已经又向前爬了100米，于是，一个新的起点产生了。你必须继续追，追到小龟龟爬的这100米时，小龟龟又已经向前爬了10米，你只能再追向那个10米。就这样，小龟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，但只要小龟龟不停地奋力向前爬，你就永远也追不上小龟龟！
这个老阿追小龟龟的故事，就是著名的“芝诺悖论”。


归根到底，是运动和时间之间是连续函数还是离散函数的问题。
随着微积分的发展，我们知道了级数1/2+1/4+1/8+…1/2n（次方），当n无穷大时，这个式子等于1，所以，小龟龟最终还是被老阿的三丈怒火烧成了香喷喷的烤龟，可怜~
3. 概率论——莎士比亚的猴子
一部美国福克斯公司出品的动画《辛普森一家》(The Simpsons)S04E17中这样的情景：资本家Mr. Burns的豪宅中有一千个猴子在一千台打字机前打字，其中一个猴子打出的字句上写着It was the best of times, it was the blurst of times(将该句中那个blurst换成worst便是正确的句子，出自狄更斯的《双城记》,这是一个最好的时代，也是一个最坏的时代)。虽然猴子拼错了其中一个单词，但是它几乎写出了一个近乎完整的句子。
那么让无数的猴子在无数的打字机前敲字，并且不限定时间，猴子是否能够打出一整本的《莎士比亚全集》？这便是一个概率论的问题。


引申一下我们的宇宙如此宏伟庄严、秩序井然，智慧生命的诞生更是精美绝伦，而这一切都是从宇宙最初无序乱飞的光子中逐渐诞生出来的，这样的无序混乱为什么能自发生成如此美妙的宇宙呢？

汪教授，你的生活是一种偶然，世界这么多变幻莫测的因素，你的人生却没什么变故。整个人类历史也是偶然，从石器时代到今天都没什么重大变故，真幸运。但既然是幸运，总有结束的一天；现在我告诉你，结束了，做好思想准备吧。  ——刘慈欣《三体1：地球往事》

4. 生物学——巴普洛夫的狗
诺贝尔奖得主俄国生物学家伊万·巴普洛夫在研究狗的唾液分泌和消化功能时设计了这样一个实验：
第一阶段：将食物放在狗的面前，狗会自然分泌唾液(流口水…)。
第二阶段：在狗面前摇铃铛，狗毫无反应（冷漠脸…）。
第三阶段：在狗进食前摇铃铛，之后立马让狗看到食物，狗自然分泌唾液，该阶段重复多次。
第四阶段：在狗面前摇铃铛，但未放置食物，狗能够自然分泌唾液。


该实验也被称为“经典条件反射”实验，他能够解释很多人类生活中的行为，比如为何会赶到恐惧，广告如何发挥作用，什么引起你的性欲，考试前为何会紧张等。
甚至还为牧场解决过狼吃羊问题：牧羊人首先向狼提供含有少量氯化锉的羊肉，狼吃了羊肉以后，便感到头晕、恶心，并开始呕吐。待狼痊愈后，人们把这些食物与活羊放入同一围栏中。狼起初想攻击羊群，但当它们闻到羊身上的气味时，便停止了攻击，并尽可能地远离羊群。之后，狼见到只有羊的围栏时，就算栏门打开，狼也迅速远遁。
5. 热力学——麦克斯韦妖
19世纪人类物理学发展最光辉的成果，来自詹姆斯·麦克斯韦，他建立的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，架起了宏观世界通往后来微观世界量子力学研究的桥梁。
19世纪中叶，德国数学家鲁道夫·克劳修斯提出热力学第二定律，也就是著名的“熵增定律”：在孤立系统中，热量从高温物体流向低温问题，且这个过程不可逆。也就是说，孤立系统总是趋向于熵增，最终达到熵的最大状态，也就是系统的最混乱无序状态。
但是当时正在研究统计力学和热力学的麦克斯韦提出质疑声音，他认为第二定律描述的不是单个分子的运动行为，而是大量分子表现的统计规律。对统计规律而言，热量只能从温度高的流向温度低的，但是就个别分子而言，温度低的区域的快分子完全可能自发地跑向温度高的区域。（形象表述一下，商场中绝大部分的行人都是顺着电动扶梯从二楼下到一楼，但总会有几个调皮的，运动能力好的人逆着电梯向上走，虽然艰难些但是从一楼到达了二楼）。
为此，麦克斯韦设计了一个假想的存在物，即著名的“麦克斯韦妖”。
这个妖精有极高的智能，可以追踪每个分子的行踪，并能辨别出它们各自的速度。假如有一个完全与外界隔绝的箱子，中间用一块完全隔热的板子隔开，出了一个小门，而麦克斯韦妖就站在小门前。他站在门前，盯住了每一个分子，如果是运动快的分子（势能高，即比较热）他就不让这个分子过去，如果是运动比较慢的分子（势能低，即比较冷）他就放它过去。久而久之，原本温度平衡的箱子，就出现了一半热一半冷的现象。这就违背了热力学第二定律。


麦克斯韦妖如果真的存在，便会引入违反热力学第二定律的一个梦寐以求的东西：第二类永动机。把高温和低温分子集合当成两个热源，而且在它们之间放置一个热机，让热机利用温差对外做功。不考虑小妖精的测量过程，便是一个使得熵减少的永动机。
当然，这肯定是不可能的。现在物理学已经证明，信息是有能量的！是负熵！信息消除之时，会释放出相应的能量，熵增加了！小妖精在测量每个分子运动的时候获得了信息，这个过程会消耗能量，从而导致整体的熵值增加，至此这个困扰了物理学家百年的小妖精被斩杀。
6. 量子力学——薛定谔的猫
最近，有一猫的知名度直线飙升，大有和加菲猫、汤姆猫齐名的势头，这只倒霉的猫就是被埃尔文·薛定谔拿来做实验的猫。
这个实验是薛定谔在1935年发表的一篇名为《量子力学的现状》的论文中第5节里描述的。他想象有一个结构巧妙的精密装置，这个装置中的一个原子衰变而放出一个中子，它就激发一连串的连锁反应，最终打破箱子里的一个毒气瓶，而在这个装置里还有一直可怜的猫，如果原子衰变，则毒气瓶被打破，猫被毒死；反之，原子未衰变，猫存活。
当一切都被锁在箱子里的时候，根据量子力学中的“哥本哈根解释”，因为我们没有观察，所以那个原子处于衰变/未衰变的叠加状态。那么就有以下推论：因为原子的状态不确定，所以它是否打破了毒气瓶就不确定，毒气瓶状态不确定，则猫存活与否也不确定。只有当我们打开装置查看后才能定论：要么猫四脚朝天躺在箱子里死掉了，要么活蹦乱跳“喵呜”一声扑向你。那么问题来了：在我们没有打开这个装置之前，这只猫处在什么状态？似乎唯一的可能就是它和我们的原子一样，处于叠加态，也就是这只猫当时陷入了一种死/活的叠加状态。
这就是著名的“薛定谔的猫”。


稍微有些量子力学知识的人都知道，在微观世界，量子（微观粒子）没有确定的位置，在没有进行测量之前处于一直量子态，可以用德布罗意波（即概率波）来描述这种状态下量子在某位置或处于某种运动状态的概率。一旦出现测量的动作，就会造成波函数坍缩，原本的量子态就坍缩成了一个确定的值。这就是量子力学中赫赫有名的“哥本哈根解释”。
“薛定谔的猫”实验的独特之处在于，他通过中子、毒气瓶、猫的链条将原本发生在微观世界的量子叠加态转移到了我们的宏观世界。让我们感受到了诡异…
国企刘电工著名科幻小说《球状闪电》中的量子异象和量子玫瑰，以及《三体2黑暗森林》中1号面壁者，美国国防部长泰勒的量子幽灵军队计划的灵感应该均来自于此。
“哥本哈根解释”是目前量子力学解释中的头把交椅，被写进了很多书本和教材中。第二把交椅是“多世界解释”（Many World Interpretation，简称MWI），这也引发了后来的“平行宇宙”概念。据我个人观点，电影《彗星来的那一夜》的创作灵感就来自于此，具体我打算写另一篇文章：量子力学的多世界解释与电影《彗星来的那一夜》…，在那里再详述拙见。

默默莫妮卡

很棒的科普文！

老五木

鄙视楼下的顶帖没我快，哈哈

谢明亮

……

提督大少

为保住菊花，这个一定得回复！

大智若鱼

顶起顶起顶起

胶水

在撸一遍。。。

诚挚李

是爷们的娘们的都帮顶！大力支持

我叫勒布朗

边撸边过

杨二

围观 围观 沙发在哪里！！！