量子物理学四大神兽

物理学的四大猛兽是薛定谔的猫、拉普拉斯妖、麦克斯韦妖和芝诺龟。

薛定谔的猫:反叛量子力学的野兽变身保护者。薛定谔的猫是为了对抗海森堡的测不准原理而诞生的，测不准原理是指你不能同时知道一个粒子的位置和速度。粒子位置的不确定度必须大于或等于普朗克常数除以4π (δ x δ p ≥ h/4π)。

薛定谔提出盒子里有一只猫和少量放射性物质。之后有50%的概率放射性物质会衰变释放出毒气杀死猫，而有50%的概率放射性物质不会衰变猫会活下来。

根据经典物理学，这两种结果中的一种会发生在一个盒子里，外部观察者只有打开盒子才能知道盒子里面的结果。但在量子世界中，盒子关闭时，整个系统保持一种不确定的波态，即猫的生死叠加。猫是死是活，必须开箱后才能知道。

猫怎么会处于既生又死的状态？但是薛定谔忘了，量子叠加是描述的微观世界，而不是宏观世界，微观世界里的猫真的是生死与共的状态。

薛定谔的猫放出来不久，就成功叛逃，成为量子力学的守护者，帮助哥本哈根学派拨开量子力学的迷雾，让大家看到了量子力学的本质——一个量子系统可以处于不同量子态的叠加态。(量子叠加态原理)随着薛定谔的猫叛变，爱因斯坦和玻尔的争论再次失败。

在过去的几十年里，物理学家已经在实验室中成功实现了多种薛定谔猫态，将物质粒子转化为既是A又是B的叠加态，并探测它们的性质。

拉普拉斯恶魔:每个人都是机械宇宙的傀儡。1687年，牛顿出版了第一次科学革命的杰作《自然哲学的数学原理》，被认为是有史以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。这本书也解释了牛顿的世界观。牛顿认为世界就像一个时钟。当钟表匠装配完成后，他给钟上发条，然后钟就会自己运转，钟表匠就不会再问了。

所以牛顿一直相信宇宙中存在第一推动力。他是这样说的:“当一切物体开始运动时，必然有一个第一推动力，那就是造物主”。也就是上帝(第一推动力)给整个宇宙上紧发条之后，整个宇宙开始自己运转。第一个推动力帮助牛顿解决了“太阳系是如何形成的”、“地球为什么绕着太阳转”等问题。

牛顿的力学宇宙论也影响了他的铁粉拉普拉斯。

拉比更极端。牛顿也认为宇宙有第一推动力，而拉普拉斯认为世间万物(包括人类和社会)都逃脱不了某些物理规律的控制，所以不存在上帝。世间万物都是按其既有规律运动发展的，所以他认为宇宙中没有上帝。

拉普拉斯指出:我们可以把宇宙现在的状态看作它过去的结果和未来的原因。如果一个智能知道所有自然运动的力和所有自然物体在某一时刻的位置，如果他也能分析这些数据，那么宇宙中最大的物体对最小的粒子的运动就会包含在一个简单的公式中。对智者来说没有什么是模棱两可的，未来只会像过去一样出现在他面前。

简单来说，就是有一个智者，他能清楚地知道宇宙中某一时刻的所有物质，包括宇宙中每个原子的确切位置和动量。他可以知道所有物质的运动状态和位置，以及它所受的力。牛顿定律也可以用来展示宇宙事件的全过程、过去和未来。而且，这个智者有足够强的计算能力来分析处理数据！

这个智者就是拉普拉斯妖，拉普拉斯妖是基于经典力学的可逆过程而诞生的。可逆性是指时间反转，即过程以相反的顺序进行。在经典力学的运动方程中，将时间参数T改为-t，意味着过程以相反的顺序经历所有的初始状态，最终回到初始状态。

因为是基于机械过程的可逆性，拉普拉斯妖就能做到。没有什么可以躲避他，也没有什么是含糊不清的。一切都是可知的，未来只会像过去一样出现在他眼前！

但随后克劳修斯提出了热力学第二定律，即熵增定律:

在绝热条件下，只能发生dS≥0的过程，其中dS = 0表示可逆过程；DS0意味着不可逆过程，而dS0过程是不可能的。但可逆过程毕竟是理想过程。所以在绝热条件下，所有可能的实际过程都会增加系统的熵，直到达到平衡态。

绝热过程是绝热系统的变化过程，即系统与环境不发生热交换的过程。在绝热的过程中，Q = 0，有δ s(绝热)≥ 0(大于时间不可逆，等于时间可逆)或dS(绝热)≥0 (0不可逆；=0可逆)

熵增原理的出现表明经典力学的可逆性并不适用于所有情况，只有在普适力学原理的保证下才是准确的。热运动是一个不可逆的过程。

热力学第二定律的出现彻底击垮了拉普拉斯妖，宣告了牛顿力学宇宙论的破产。

麦克斯韦妖:想要拯救宇宙的妖精也是从热力学第二定律推导出来的。热力学第二定律的提出导致了热寂论的流行。热寂论把熵增原理推广到整个宇宙，把整个宇宙看成一个孤立的系统，认为宇宙的熵会趋于极大，最终达到热平衡状态，即宇宙中每个地方的温度都是相等的。

听到热寂理论后，麦克斯韦立即打开了思路。首先，他从概率统计的角度认真思考了这个假设，认识到宇宙的“开放系统”必然存在某种机制，以至于在一定条件下，会出现看似“违反”热力学第二定律的情况。

1871年，他在《热的理论》一书的最后一章《热力学第二定律的局限性》中，设计了一个假想的存在，著名的麦克斯韦妖。

在麦克斯韦的构想中，麦克斯韦妖具有极高的智能，可以追踪每个分子的行踪，分辨出它们各自的速度。这个理想的实验如下:

“我们知道，在一个充满空温度均匀的气体的容器中，分子的运动速度决不是均匀的，但任意大量随机选取的分子的平均速度几乎是完全均匀的。现在我们假设这样一个容器分为A和B两部分，边界处有一个小洞。想象一个可以看到单个分子的存在。打开或关闭那个小孔，使只有较快的分子从A跑到B，而较慢的分子从B跑到A，这样，在不消耗功的情况下，B的温度升高，A的温度降低，从而与热力学第二定律相矛盾”。

而这个存在就是“麦克斯韦妖”，妖精们掌握和控制着高温系统和低温系统之间的分子通道。它利用了分子速度的统计分布。根据麦克斯韦分布，即使在低温区，也有很多高速分子，高温系统中也有低速分子。通过这样一个可以控制分子运动的小妖精，在两个系统中间设置了一个门，只允许快分子从低温运动到高温，慢分子从高温运动到低温。在这种“小妖精”的管理模式下，双方的温差会逐渐增大，高温地区的温度会越来越高，低温地区的温度会更高。

那么会有麦克斯韦妖精吗？如果麦克斯韦妖真的存在，热寂论将被摧毁，宇宙将得到“拯救”。况且，我们有可能创造出违反热力学第二定律的第二种永动机。第二种永动机是从单一热源吸收热量，使其完全有用，不受任何其他影响。

1961年，美国IBM公司的物理学家罗夫·朗道(Rove Landauer)提出并证明了一个著名的定理——朗道原理，它将信息论与物理学的基本问题联系起来。这个原理就是擦除1位信息会导致kB ln 2中的热量散失。

这个原理也解释了为什么我们的电脑会一直发热。比如我们删除一段存储在计算机里的数据，假设一个随机的二进制变量的熵是1比特，当它有一个固定值时熵是0。消除信息的结果是，这个2元系统的熵从0增加到1比特，必然有电能转化为热能释放到环境中，于是我们的计算机不断升温。

道的同事贝内特敏锐地意识到，这个原理可以应用于麦克斯韦妖。经过不断的研究，他在1982年的论文中声明，不耗散能量的麦克斯韦恶魔是不存在的。而且这种耗散发生在恶魔抹去末世审判记忆的过程中，“遗忘”需要以消耗能量为代价。这个过程在逻辑上是不可逆的。

2003年，Bennett得出结论，任何逻辑上不可逆的信息操纵过程，如擦除一位信息或合并两条计算路径，必然伴随着外部环境或信息存储载体之外自由度的熵增。

这样麦克斯韦妖就被热力学第二定律彻底驱逐了，但并没有彻底杀死麦克斯韦妖，它在物理学中还是有很大作用的。。

芝诺海龟:极端问题最终会导致一场数学危机。阿基里斯(又名阿喀琉斯)是古希腊神话中跑得好的英雄。在他和乌龟的赛跑中，他的速度是乌龟的十倍。乌龟在前面跑100米，他在后面追，但是追不上乌龟。因为在比赛中，追赶者必须先到达被追赶者的起点。阿喀琉斯追100米时，乌龟已经向前爬了10米，于是新的起点产生了；阿喀琉斯只好继续追，追上乌龟已经爬过的10米时，乌龟已经向前爬了1米，阿喀琉斯只能再追那1米。这样，乌龟就创造了一个无限的起点。它总能在起点和自己之间制造出一个距离，不管这个距离有多小，但只要乌龟一直奋力向前爬，阿喀琉斯就永远追不上乌龟！

“乌龟”移动最慢的物体是追不上最快的被动物体的。作为追踪者应该先到达被追踪者开始的点，被追踪者已经走了很远了。所以，被追求者永远在追求者的前面。“这是在芝诺悖论下诞生的芝诺海龟。这种矛盾的出现是因为芝诺和我们采用了不同的时间系统。人们习惯于将运动视为时间的连续函数，而芝诺的解释采用了离散时间系统。即无论时间间隔有多小，整个时间轴仍然是由无限个时间点组成的。换句话说，连续时间就是离散时间把时间间隔看做无穷小的极限。

这个问题很久没有解决了。因为涉及到极限问题，而且当时实数理论还不完善。

后来牛顿的微积分因为“无穷小是否为零”的争议，把极限问题带来的数学危机推向高潮，几乎掀翻了整个数学大厦。

后来，在维尔斯特拉斯的“分析的算术”运动的指导下，实数理论得到改进，极限问题得到解决，芝诺海龟被成功消灭。

这是物理学的四大猛兽。它们的出现可以说推动了科学的大发展。