弄潮科學

物理學上所講的四大神獸分別是薛定諤的貓、芝諾的烏龜、拉普拉斯獸和麥克斯韋妖。其中薛定諤的貓所對應的是量子力學，講的是一隻貓被放在一個箱子裡，箱子裡有一個毒氣瓶，毒氣瓶上有個錘子，錘子受放射性原子控制，而由於放射性原子核的衰變是隨機的，所以在打開盒子之前無法得知貓的生死，於是此時貓處於一種既死又活的疊加態。

而芝諾的烏龜講的是又一個在神話傳說中跑得飛快的人，這個人去追趕一隻直線前進的烏龜，由於烏龜是不斷移動中的，所以這個人永遠也無法追上烏龜。比如這個人追到烏龜的位置，烏龜已經向前移動了0.1米，而當這個人繼續前進0.1米，烏龜又已經向前移動了0.01米，總之烏龜一直在向前，所以他永遠也追不上，這是一個微積分問題。

拉普拉斯獸對應的則是經典力學。說是有一種神獸，它只要記錄下當前時刻宇宙間每一個原子的運動狀態，就可以推算出整個宇宙的未來。拉普拉斯獸的本質就是萬事萬物皆遵循同樣的物理學定律。也就是說宇宙間的一切，包括我們每個人的命運實際上都是安排好的。最終量子力學所描述的隨機性擊垮了拉普拉斯獸。

最後，是麥克斯韋妖，它描述的是一個熱力學問題。我們知道，在系統內部，熵只能增加不能減少，所以一切都會從有序向無序發展，所以生命才會走向衰亡。而麥克斯韋假想出了一種妖獸，這個妖獸能夠控制分子的運動，將快速運動的分子和慢速運動的分子分別歸類，從而使自然變得有序，使熵自然減少。麥克斯韋妖雖然是一種假象中的妖獸，但科學家相信在自然界中存在著和熵增相反的能量控制機制，只是還沒有找到它。所以麥克斯韋妖是否存在，還有待進一步研究。

科學信仰

物理學的四大神獸分別是薛定諤的貓、拉普拉斯妖、麥克斯韋妖、芝諾龜

薛定諤的貓：反抗量子力學的神獸卻叛變成護法神獸

薛定諤的貓是為了反擊海森堡的測不準原理而誕生的，海森堡的測不準原理則是指，你不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度，粒子位置的不確定性，必然大於或等於普朗克常數除於4π（ΔxΔp≥h/4π）。

薛定諤提出在一個盒子裡有一隻貓，以及少量放射性物質。之後，有50%的概率放射性物質將會衰變並釋放出毒氣殺死這隻貓，同時有50%的概率放射性物質不會衰變而貓將活下來。

根據經典物理學，在盒子裡必將發生這兩個結果之一，而外部觀測者只有打開盒子才能知道里面的結果。但是在量子的世界裡，當盒子處於關閉狀態，整個系統則一直保持不確定性的波態，即貓生死疊加。貓到底是死是活必須在盒子打開後才能夠知道。

貓怎麼可能處於既生又死的狀態呢？但是薛定諤忘記了量子疊加是描述的微觀世界，而非宏觀世界，微觀世界裡的貓還真的是處於既生又死的狀態。

薛定諤的貓被放出不久就成功叛變，成為了量子力學的護法神獸，並且幫助哥本哈根學派撥開了籠罩在量子力學上的迷霧，讓大家看清了量子力學的本質—— 一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上。（量子疊加態原理）伴隨著薛定諤的貓叛變，愛因斯坦和玻爾的論戰又失敗告終

在過去的幾十年裡，物理學家成功地在實驗室中實現了多種薛定諤貓態，將物質微粒轉變為“既是 A 又是 B”的疊加態，並探測它們的性質。

拉普拉斯妖：每個人都是機械宇宙的傀儡

1687年牛頓發表了《自然哲學的數學原理》，這是第一次科學革命的集大成之作,被認為是古往今來最偉大的科學著作，這本書標誌著牛頓經典力學體系的建立，預示著科學時代的到來。而這本書也闡釋了牛頓的宇宙觀，牛頓認為世界就好像一個鐘錶，當鐘錶師傅完成裝配之後，將鐘錶上發條，接著鐘錶會自行運作，師傅不會再過問。

所以牛頓一直也就認為宇宙存在第一推動力，他是這樣說的: “一切物體開始運動必有第一推動力,那就是造物主”。也就是上帝（第一推動力）給整個宇宙上好發條之後，整個宇宙就開始自行運轉。第一推動力幫助牛頓解決了“太陽系如何形成”、“地球何以會繞太陽運轉”這些問題。

牛頓的機械宇宙觀也影響了他的鐵粉拉普拉斯。拉比牛頓更為極端，牛頓還認為宇宙存在第一推動力，而拉普拉斯則認為世間萬物（包括人類、社會）都逃不過確定的物理定律的掌控，所以也就不存在什麼上帝，世間萬物都是按照其既有規律來運動發展，所以他認為宇宙不存在什麼上帝。

拉普拉斯指出：我們可以把宇宙現在的狀態視為其過去果以及未來的因。如果一個智能知道某一刻所有自然運動的力和所有自然構成的物件的位置，假如他也能夠對這些數據進行分析，那宇宙裡最大的物體到最小的粒子的運動都會包含在一條簡單公式中。對於這智者來說沒有事物會是含糊的，而未來只會像過去般出現在他面前。

簡單來說就是存在一個智者，能夠清楚的知道宇宙中某一刻當中所有的物質，包括宇宙中每個原子確切的位置和動量。他能知道所有物質的運動狀態和位置，還有所受到的力。還能夠使用牛頓定律來展現宇宙事件的整個過程，過去以及未來。而且這個智者，還擁有足夠強大的運算能力，能夠分析並對數據進行處理！

這個智者就是拉普拉斯妖，拉普拉斯妖是基於經典力學可逆過程而誕生的。可逆性是指時間反演，即過程按相反的順序進行。在經典力學的運動方程中，把時間參量 t換成-t，就意味著過程按相反的順序歷經原來的一切狀態，最後回到初始狀態。

正是因為基於力學過程的可逆性，所以拉普拉斯妖才可以做到沒有什麼事情可以難倒他，他也沒有什麼事情是模糊的，一切都是可知的，未來只會像過去一樣出現在他眼前！

但是後來克勞修斯提出了熱力學第二定律，也就是熵增定律：

在絕熱條件下，只可能發生dS≥0 的過程，其中dS = 0 表示可逆過程；dS>0表示不可逆過程,dS<0 過程是不可能發生的。但可逆過程畢竟是一個理想過程。因此，在絕熱條件下，一切可能發生的實際過程都使系統的熵增大，直到達到平衡態。

絕熱過程是一個絕熱體系的變化過程，即體系與環境之間無熱量交換的過程。在絕熱過程中，Q = 0 ，有ΔS（絕熱）≥ 0（大於時候不可逆，等於時候可逆） 或 dS（絕熱）≥0 (>0不可逆；=0可逆)

熵增原理的出現表示經典力學的可逆性並不適用於所有情況，它只在有普遍的力學原理做保證的情況下才準確，熱運動就是一個不可逆的過程。

熱力學第二定律的出現徹底擊殺了拉普拉斯妖，也宣告了牛頓機械宇宙論的破產。

麥克斯韋妖：想要拯救宇宙的小妖精

同樣是源自於熱力學第二定律，熱力學第二定律的提出導致了熱寂說一度流行，熱寂說將熵增原理擴大到整個宇宙，將整個宇宙當成一個孤立系統，認為宇宙的熵會趨向極大，最終達到熱平衡狀態，即宇宙每個地方的溫度都相等。

麥克斯韋在聽到熱寂說之後，立即腦洞大開，首先從概率統計的角度認真思考這個假說，意識到對於宇宙這種“開放系統”來說，一定存在某種機制，使得在某種條件下，會存在貌似“違反了”熱力學第二定律的情況。

1871年，他在《熱理論》一書的末章《熱力學第二定律的限制》中，設計了一個假想的存在物，即著名的“麥克斯韋妖” （Maxwell's demon）。

在麥克斯韋構想中，麥克斯韋妖有極高的智能，可以追蹤每個分子的行蹤，並能辨別出它們各自的速度。這個理想實驗如下：

“我們知道，在一個溫度均勻的充滿空氣的容器裡的分子，其運動速度決不均勻，然而任意選取的任何大量分子的平均速度幾乎是完全均勻的。現在讓我們假定把這樣一個容器分為兩部分，A和B，在分界上有一個小孔，在設想一個能見到單個分子的存在物，打開或關閉那個小孔，使得只有快分子從A跑向B，而慢分子從B跑向A。這樣，它就在不消耗功的情況下，B的溫度提高，A的溫度降低，從而與熱力學第二定律發生了矛盾"。

而這個存在物就是“麥克斯韋妖”，小妖精掌握和控制著高溫系統和低溫系統之間的分子通道。它利用了分子運動速度的統計分佈性質。因為根據麥克斯韋分佈，即使是低溫區，也有不少高速分子，高溫的系統中也有低速度的分子，通過這樣一個能夠控制分子運動的小妖精，在兩系統的中間設置一個門，只允許快分子從低溫往高溫運動，慢分子則從高溫往低溫運動，在“小妖”的這種管理方式下，兩邊的溫差會逐漸加大，高溫區的溫度會越來越高，低溫區的溫度越來越低。

那麼究竟會不會存在麥克斯韋小妖呢？因為如果麥克斯韋小妖真的存在的話，熱寂說就不攻自破，宇宙就“得救” 了，除此之外，我們就有可能造出違反熱力學第二定律的第二類永動機。從單一熱源吸取熱量使之完全變成有用功並且不產生其他影響就是第二類永動機。

1961 年，美國IBM的物理學家羅夫·蘭道爾提出並證明了提出了一個著名的把信息理論和物理學的基本問題聯繫起來的定理——蘭道爾原理，這個原理就是：擦除1比特的信息將會導致kB ln 2的熱量的耗散。

這個原理也解釋了我們的電腦為什麼會不斷髮熱，比如我們刪除了電腦裡存儲的一段資料，假設一個隨機二元變量的熵是1比特，具有固定數值時的熵為0，消除信息的結果使得這個2元系統的熵從0增加到1比特，必然有電能轉換成了熱能被釋放到環境中，所以我們的電腦不斷髮熱。

蘭道的同事貝內特敏銳地發現這個原理可以適用於“麥克斯韋妖”身上，他經過不斷研究，在1982年的論文裡表示：不耗散能量的“麥克斯韋妖”不存在，並且，這種耗散是發生在“妖”對上一個判斷“記憶”的消除過程中，“遺忘”需要以消耗能量為代價，這個過程是邏輯不可逆的。

而2003年，貝內特更是總結道： 任何邏輯上不可逆的信息操縱過程，例如擦除1比特的信息，或者是合併兩條計算路徑，一定伴隨著外部環境或者是信息存儲載體以外的自由度的熵增。

從而將麥克斯韋妖徹底從熱力學第二定律中驅逐了出去，但是並沒有徹底擊殺麥克斯韋妖，它在物理學中還有很大的作用。。

芝諾龜：極限難題終引發數學大危機

阿基里斯（又名阿喀琉斯）是古希臘神話中善跑的英雄。在他和烏龜的競賽中，他速度為烏龜十倍，烏龜在前面100米跑，他在後面追，但他不可能追上烏龜。因為在競賽中，追者首先必須到達被追者的出發點，當阿喀琉斯追到100米時，烏龜已經又向前爬了10米，於是，一個新的起點產生了；阿喀琉斯必須繼續追，而當他追到烏龜爬的這10米時，烏龜又已經向前爬了1米，阿喀琉斯只能再追向那個1米。就這樣，烏龜會製造出無窮個起點，它總能在起點與自己之間製造出一個距離，不管這個距離有多小，但只要烏龜不停地奮力向前爬，阿喀琉斯就永遠也追不上烏龜！

這就是在芝諾悖論下誕生的芝諾龜，這個悖論之所以會產生，是因為芝諾與我們採取了不同的時間系統。人們習慣於將運動看做時間的連續函數，而芝諾的解釋則採取了離散的時間系統。即無論將時間間隔取得再小，整個時間軸仍是由無限的時間點組成的。換句話說，連續時間是離散時間將時間間隔取為無窮小的極限。

這個問題在很長一段時間都沒有被解決。因為這涉及到極限問題，而當時實數理論並沒有得到完善。

後來，牛頓的微積分因為“無窮小量究竟是否為0”這個爭議將極限問題引發的數學危機掀至高潮，差點顛覆了整個數學大廈。

後來，在魏爾斯特拉斯“分析算術化”運動的引領下，實數理論得到完善，極限問題得到解決，芝諾龜也被順利消滅。

這就是物理四大神獸，它們的出現可以說促進了科學的大發展。

胖福的小木屋

一、薛定諤的貓

薛定諤的貓可謂是家喻戶曉，也是世界上最可憐的貓，原因就是它的生命被薛定諤設置在了生與死的未知狀態。它是由著名奧地利物理學家薛定諤在1935年提出的，用來闡述微觀世界量子疊加態的思想實驗：將一隻貓🐱放在一個有小量放射性物質的盒子裡，那麼在打開盒子前這隻貓被毒死和沒有被毒死的幾率各佔一半，也就是處於生死疊加態。就像是量子是以波的形式存在，而被觀測後就立刻變為粒子態。

二、縮地成寸的芝諾龜

這隻神龜生於公元前464年，因一場運動競技的賽跑神奇的取得了勝利而名聲大噪，由於它主人的名叫芝諾，所以就叫它為芝諾龜。

其實它贏得比賽的方法很簡單：它出生那年正是物理帝國開展了一場世紀運動大賽，海神之子阿喀琉斯與芝諾龜將有一場賽跑。因為阿喀琉斯身強體壯，芝諾龜卻短小粗苯，芝諾龜便提出了在比賽前先跑100米，阿喀琉斯認為自己速度是這隻笨烏龜的10倍，於是痛快答應了。比賽中，阿喀琉斯追至100米時，芝諾龜也爬行了10米;阿喀琉斯追了10米時，芝諾龜又前行了1米;阿喀琉斯追上1米時，芝諾龜又爬行了1分米…就這樣，只要烏龜不停止，阿喀琉斯就怎麼都追不上。

這隻小芝諾龜稱霸賽跑界2000年之久，直到17世紀（1671）年英國的物理學家牛頓著作了《流數法和無窮級數》，提出了微積分理論的極限法才破除了芝諾賽跑悖論。

三、拉普拉斯獸

又稱拉普拉斯妖，是法國數學家西蒙·拉普拉斯在1814年提出的科學假想：這個妖魔知曉宇宙的每個原子準確方位和動量，可使用牛頓定律顯現宇宙演化的全部過程，也就是宇宙的一生。

但是近代的量子力學和熱力學卻讓這個理論受到了質疑，最後徹底涼了。

四、麥克斯韋妖

這是由英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋於1871年提出的物理學的假想妖：它有探測並控制單獨分子運動的能力，是可能會違背熱力學第二定律的一個設想。

麥克維斯認為宇宙中有一種跟熵增加相拒抗的未知能量，可他不能確切的說出這種能量機制，於是幽默的稱之為妖。其實這就是遠離平衡開放系統（耗散結構）的最初模型。

弄潮科學

但物理學在發展的途中曾經出現過一系列“神獸”，每一個神獸都對應著不同的物理學理論，其中最為人們熟知“薛定諤的貓”是屬於量子力學領域的，這隻“亦死亦活”的貓成為了很多人瞭解量子力學的第一課。

而物理中除了薛定諤的貓之外，還有芝諾龜，拉普拉斯獸，麥克斯韋妖這三大神獸

芝諾龜：這隻烏龜最大的特點就是你永遠都追不上它，因為按照設定這隻烏龜永遠比人快十分之一，因此你只能無限逼近這隻烏龜而不能超越它，後來的牛頓採用了微積分方法才算破解了芝諾龜悖論。

拉普拉斯獸：這隻神獸可以知道宇宙中每一個原子的運動數據，從這些數據出發再輔以物理學定律，拉普拉斯獸就可以知道宇宙的過去和未來。然而量子力學的出現揭示了物質世界的最小部分是不確定狀態，因此拉普拉斯獸永遠都不可能預測未來。

麥克斯韋妖：麥克斯韋妖和永動機非常像，第二類永動機的特點就是利用宇宙中的熱能來對外做功，而麥克斯韋妖可以只讓溫度高的分子自動出來對外做功，而不產生任何額外的能量損耗。但麥克斯韋妖本身只是一個設想，現實世界中的我們只能乖乖屈服於熱力學第二定律“不可能從單一熱源吸取熱量，使之完全變為有用功而不產生其他影響”

宇宙探索未解之迷

薛定諤的貓

“薛定諤的貓”相信大家都不陌生，它是由奧地利的物理學家薛定諤於1935年提出的一個關於量子力學的思想實驗，我們將這個實驗稱之為“薛定諤的貓”，大體的意思就是將一隻貓放入一個密閉且裡面具有放射性物質的盒子裡，並且盒子裡有一個能檢測放射性物質衰變的設備，這個設備一旦檢測到放射性物質衰變，就會自動的敲碎含有劇毒的容器，將貓毒死，反之如果放射性物質沒有發生變化，貓則平安無事。

其實，這個實驗只是一場頭腦風暴，並沒有真正的試驗過，它主要的意思就是，將貓放入這個空間之後，需要打開盒子才能知道貓的生死，假如貓是死的，那麼它並不一定是打開盒子的一瞬間死的，也可能是早已經死了。也就是說貓的生死其實不用外界觀察就已經有了一個固定的結果。

這個實驗的目的，是要反駁哥本哈根學派，關於量子系統的疊加態會因由和外部世界的相互作用，或被外部世界測量時而變成一種固定態的理論。而這個實驗的結果是：貓是在被外部世界所觀察之後，它的生死才處於一種固定態。但按照客觀來說，這個貓，不管你外部觀察與否，它的生死早就固定了。

拉普拉斯妖

拉普拉斯妖與薛定諤的貓一樣都是不存在的動物，嚴格意義上說，它就是科學家的一種構想。它是由法國的數學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯於1814年提出的一個假設，假設的內容是：如果有個“惡魔”，熟知我們宇宙之初所有原子的動量以及位置，那麼它就可以根據這些信息準確的推算出宇宙任何時間的狀態，就等於有了預知未來和回到過去的能力。

當然這個“惡魔”只是科學假設，所有人們將這個“惡魔”稱為“拉普拉斯妖”，這種理論是不存在的，因為它完全忽略了不確定性以及熵增原理。

麥克斯韋怪

麥克斯韋怪同樣也是科學家提出的一種構想，它是由英國的物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋於1871年提出的一個關於熱力學的構想，簡單來說就是一種能夠區分單個氣體分子速度的假想物，並且它能夠讓一個容器內運動快(“熱”)的分子和運動慢(“冷”)的分子分別佔據不同的區域，從而使容器中不同區域的溫度不同。

由於這個也是不存在的，所以被人稱之為怪。

芝諾的烏龜

芝諾的烏龜是人們對芝諾提出的一個理論的稱呼，它被稱為“芝諾悖論”。具體的意思是，一個人從A地點到達B地點，先走完整個AB間距離的一半，然後再走剩下部分的一半，如此往復。按照這個理論，人是永遠不會到達終點的，但是這個理論已經被部分推翻，因為他把走路的時間無限的除，比如從A到B距離為1米需要1分鐘，那麼走半米需要30秒，而再走剩下的半米的一半也就是25公分則需要15秒，如此一直走下去，但是他忽略了人的速度和時間比。就好比僅剩下1釐米了你如何走1釐米的二分之一呢。

但是，這個理論依然還存在的主要原因就是它能解釋微積分的無限這個概念。

總結

以上四種物理學的“神獸”都是物理學家們一個構想，隨著人們的認知提高，部分的點已經被打破，但是到現在為止，這“四種神獸”身上依然有未解的部分。

獵奇動物社

疊加態是客觀存在的，其實複數早就給出答案比如√(1-X^2)，當x﹥1時，在復引力公式中，如果物體本身不帶極性，才是雙態同在的，如果物體帶電負性時，說明取值就既定，那麼它只能取-i√(X^2-1)，因為物體再也不能取電正性了！這是因為極性唯一的排它，同理如果帶電正性，只能取ⅰ√(x^2-1)，這個就是這個貓的原理！一個人不能同時踏入兩條河，但他能在兩條河的交叉口處踏入！

石鼎文

所謂物理學的四大神獸，是科學史，上一段趣談。遠古時人們對自然現象的觀察都賦予神靈的存在，比如雷神，雨神，海神，太陽神等等，隨著科學的日益昌明，對於某些科學理論存在某種不能說明的機理，用隱喻的方法，或假想來闡明，科學家借用神獸形象地對大眾進行科普，體現了科學家的幽默和風趣。

四大神獸之首，當推薛定諤的貓，這隻貓的神奇之處在於它是一隻非死非活的貓，但只要你往箱子裡看他一眼，這隻貓，要麼活著，要麼死了，似乎你的觀察決定了他的生死。

至於拉普拉斯獸已被證明不存在了，麥克斯韋妖也是假設，還沒有物理學家做實驗去檢測這個妖的存在，倒是解定諤的貓已被科學家在實驗室中用粒子成功複製，證明確實存在這樣一隻死活疊加態的量子貓。

對於芝諾龜我認為他不應存在物理學之中，更適合存在數學之中，更確切地說，這是邏輯學的一隻大名鼎鼎的芝諾龜，是哲學史上著名的悖論之一，至今沒有人能破解。

如果請出芝諾龜，為了補齊四大神獸

，不妨推薦愛因斯坦的量子糾纏幽靈，或稱其為量子糾纏妖亦無不可，這樣就是：薛定諤貓，愛因斯坦幽靈，拉普拉斯獸，麥克斯韋妖，大家以為呢？

閒雲Li

芝諾龜，拉普拉斯獸，麥克斯韋妖，薛定諤的貓

關於這四大神獸前幾個回答已有明確解釋

關鍵字: 薛定諤 物理學 物理