0
序
“遇事不决，量子力学；解释不通，穿越时空”，我们常常这样吐槽一些科幻作品，特别是科幻电影中，一些为了解决逻辑上的Bug或者为了推动剧情而不得不进行的强行设定。
在科幻作品中，我们往往会遇到一些很吸引人、“高大上”的涉及物理学的概念和设定，比如时间旅行，多重宇宙，引力和反重力或者超光速旅行等等。虽然这些设定可能在现实中并不成立，但它们常常借鉴了物理学的一些原理和思想，为故事情节和虚构世界提供了基础。
为了让大家了解物理学有趣之处，接下来学联将简单科普一下物理学中的“四大神兽”。物理学上有四大神兽：薛定谔的猫、拉普拉斯兽、麦克斯韦妖、芝诺的乌龟，分别对应着量子力学、经典力学、热力学第二定律和微积分。
1
薛定谔的猫
薛定谔的猫
出生日期：1935年
主人：薛定谔
门派：量子力学
能力：超越生死
在量子物理中，以玻尔和海森堡为代表的哥本哈根学派认为，微观粒子本身处于波函数定义的所有状态的叠加态，只有当对该微观粒子的具体状态进行测量时，波函数才坍缩到某个特定的值，你才能知道该粒子究竟处于什么状态。
薛定谔为了反驳量子力学这种哥本哈根诠释的“荒谬”，设计了一个思想实验，假设把一只猫、一个装有氰化氢气体的玻璃烧瓶和放射性物质放进封闭的盒子里。这只悲惨的猫，不能享受吞拿鱼味儿的猫罐头，也没有猫奴给它献殷勤，就是有名的“薛定谔的猫”，它是一只同时处在存活状态或死亡状态的猫。
薛定谔如此描述这实验：
“实验者甚至可以设置出相当荒谬的案例来。把一只猫关在一个封闭的铁容器里面，并且装置以下仪器（注意必须确保这仪器不被容器中的猫直接干扰）：在一台盖革计数器内置入极少量放射性物质，在一小时内，这个放射性物质至少有一个原子衰变的概率为50%，它没有任何原子衰变的概率也同样为50%；假若衰变事件发生了，则蓋革计数管会放电，通过继电器启动一个榔头，榔头会打破装有氰化氢的烧瓶。经过一小时以后，假若没有发生衰变事件，则猫仍旧存活；否则发生衰变，这套机构被触发，氰化氢挥发，导致猫随即死亡。用以描述整个事件的波函数竟然表达出了活猫与死猫各半纠合在一起的状态。”
这思想实验可以被诠释为，当盒子仍旧是封闭的时候，系统同时存在于“衰变的原子／死猫”和“未衰变的原子／活猫”这两种状态的叠加态，只有当盒子被打开，进行观察时，波函数坍缩为其中任意一种状态。（在这里我们强调，哥本哈根学派认为，只有当对该微观粒子的具体状态进行测量时，波函数才坍缩到某个特定的值，你才能知道该粒子究竟处于什么状态。）
也许用物理学的语言解释很晦涩难懂，但一旦理解了其本源，就能对日常生活中某些现象进行生动形象，较贴切地联系，也能在网络上灵活地运用。比如“薛定谔的考试结果”，可以用来指在考试成绩出来之前，处于通过和挂科的叠加状态，只有知道分数的时候，这种状态才会“坍缩”，要么通过，要么不幸挂科。比如“薛定谔的天气”，可以用来指明天的天气，处于晴天、阴天还有下雨等等其它天气的叠加状态，只有明天到来的时候，才能知道具体什么天气。还有薛定谔的意大利火车，你永远不知道它准不准点。
2
拉普拉斯妖
拉普拉斯妖
出生日期：1814年
主人：拉普拉斯
门派：经典力学
能力：预测未来
拉普拉斯妖，是由法国数学家拉普拉斯于1814年提出。简单的描述可为：此智者若知道宇宙中每个原子确切的位置和动量，能够使用牛顿定律来展现宇宙事件的整个过程，包括过去以及未来。
拉普拉斯坚信决定论，他在他的概率论导论部分说：
“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。假若一位智者会知道在某一时刻所有促使自然运动的力和所有组构自然的物体的位置，假若他也能够对这些数据进行分析，则在宇宙里，从最大的物体到最小的粒子，它们的运动都包含在一条简单公式里。对于这位智者来说，没有任何事物会是含糊的，并且未来只会像过去般出现在他眼前。”
拉普拉斯这里所说的“智者”便是后人所称的拉普拉斯妖。
后来，随着19世纪物理学的不可逆过程、熵、及热力学第二定律的研究，已经使得拉普拉斯妖成为不可能。拉普拉斯妖的可能性是建立在经典力学可逆过程的基础上的，然而热力学理论则指出现实的物理过程都是不可逆的。近代的量子力学诠释使得拉普拉斯妖的理论基础受到质疑，海森堡的测不准原理也说明再厉害的神兽也无法看清微观世界的全部面貌。正如电影所说，人生就像一盒巧克力，你永远无法预知会吃到什么味道。
3
麦克斯韦妖
麦克斯韦妖
出生日期：1871年
主人：麦克斯韦
门派：热力学
能力：逆转时空
麦克斯韦妖是一个假设违反热力学第二定律的思想实验。它是由物理学家麦克斯韦于1867年提出的。开尔文后来称其为“恶魔”。
在思想实验中，恶魔控制着两个气体室之间的一扇无质量的小门。当单个气体分子（或原子）接近门时，恶魔会迅速打开和关闭门，只允许快速移动的分子从一个方向通过，而只允许缓慢移动的分子从另一个方向通过。由于气体的动力学温度取决于其组成分子的速度，恶魔的行为导致一个腔室升温而另一个腔室冷却。这将减少系统的总熵，而不应用任何功，从而违反热力学第二定律。
麦克斯韦对实验的描述如下：
“如果我们设想一个生命，其能力如此敏锐，以至于他可以跟随每一个分子的过程，那么这样一个生命，其属性与我们自己的属性一样本质上是有限的，将能够做我们不可能做的事情。因为我们已经看到，在一个充满均匀温度的空气的容器中，分子的运动速度绝不是均匀的，尽管任意选择大量分子的平均速度几乎是完全均匀的。现在让我们假设这样一个容器被一个小孔分成两部分，A和B，一个可以看到单个分子的生物打开和关闭这个孔，以便只允许较快的分子从A传递到B, 只有较慢的分子从B传递到A。因此，他将在不消耗功的情况下升高B的温度并降低A的温度，这与热力学第二定律相矛盾。”
这里面的生命就是所谓的“麦克斯韦妖”。麦克斯韦妖的物理学意义是让混乱变得有序，避免封闭系统变成一潭死水。如果这神兽真的存在，或许创立违背热力学第二定律的永动机就不是梦了，走向熵寂的宇宙也有起死回生的可能。
这个实验挑战了热力学第二定律，因为根据该定律，一个封闭系统的熵总是增加的，而恶魔的行为似乎违反了这一规律。然而，后来的研究和发展揭示出了在这个思想实验中的潜在问题。例如，有物理学家认为，现实生活中的麦克斯韦妖需要某种测量分子速度的方法，而获取信息的行为需要消耗能量。由于恶魔和气体相互作用，我们必须考虑气体和恶魔的总熵。恶魔消耗能量会引起恶魔熵增，大于气体熵减。还有物理学家认为，麦克斯韦妖对分子进行分类时涉及到信息熵，为了确定是否让分子通过，恶魔必须获取有关分子状态的信息，然后将其丢弃或存储，在这个过程中信息熵会增加，使得热力学第二定律得以保持。
尽管麦克斯韦的恶魔在历史上被引用和讨论了很多次，但实际上并没有真实的恶魔存在，它只是一个用来探讨热力学和信息理论之间关系的思想实验。麦克斯韦的恶魔提出了关于信息、熵和热力学的有趣问题，对于我们理解热力学定律的基础和信息的物理性质有所启发。
4
芝诺的乌龟
芝诺的乌龟
出生日期：公元前464
主人：芝诺
门派：先贤哲学
能力：缩地成寸
芝诺悖论是古希腊哲学家埃利亚的芝诺提出的一系列关于运动的不可分性的哲学悖论。
这些悖论由于被记录在亚里士多德的《物理学》一书中而为后人所知：
“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。”
常见的叙述为芝诺提出的追着乌龟的阿基里斯，本悖论因此得其名。芝诺提出让乌龟和阿基里斯赛跑，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，
当阿基里斯追到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；阿基里斯必须继续追，而当他追到乌龟爬的这10米时，乌龟又已经向前爬了1米，阿基里斯只能再追向那个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不管这个距离有多小，但只要乌龟不停地奋力向前爬，芝诺认为，阿基里斯就永远也追不上乌龟。
关于这个悖论如何解释，我想，在屏幕前的你聪明的小脑袋瓜里面一定已经有了答案。
编辑：冯文彬
排版：冯文彬
审核：王 方
联系客服
