【10大神兽】专题物理学“四大神兽”：除了薛定谔的猫，另外三个是什么？

物理学非常注重实验，最初的物理学理论是在实验中总结出来的。

任何物理理论创立之后，都需要经过实验的反复验证。爱因斯坦的相对论提出百年之后，至今还在接受一系列严苛实验的检验。

不过，有些实验在现实中很难实现，所以物理学家提出了思想实验，包括爱因斯坦、牛顿在内的很多大物理学家都有提出过。虽然只是思想上的实验，但它们引发人深省，并推动了物理学的发展。在这些思想实验中，有四个的名称与动物有关，它们被冠以物理学“四大神兽”。

（1）芝诺的乌龟

这是最早的“神兽”，由2480年前的古希腊哲学家芝诺提出，它又被称为芝诺悖论。试想一下，一个人以10米/秒的速度奔跑，一只乌龟以1米/秒的速度爬行。一开始，乌龟比人领先了100米，那么，人在什么时候会追上乌龟？

这个问题看似是一个简单的追及问题，只要人的跑动距离等于乌龟的领先距离加上乌龟的爬行距离，就能算出人会在出发后第11.11…（100/9）秒追上乌龟。

然而，如果换个角度来看，结果会完全不一样。第1秒，人跑了10米，乌龟领先人91米；第5秒，人跑了50米，乌龟领先人55米；第10秒，人跑了100米，乌龟领先人10米；第11秒，人跑了110米，乌龟领先人1米；第11.1秒，人跑了111米，乌龟领先人0.1米。

如果空间能够无限分割，乌龟和人之间的距离包含了无限多个点。因此，乌龟可以一直在人的前面，尽管只领先了一点。那么，这是否意味着人永远也走不完无限多个点来追上乌龟呢？

其实不然。乌龟一开始领先人100米，人跑动100米所需的时间为：

100/10秒=10秒

在这10秒期间，乌龟爬行的距离为：

10×1米=10米

这是10秒后乌龟领先人的距离，人再去追上这10米所需的时间为：

10/10秒=1秒

在这1秒期间，乌龟爬行的距离为：

1×1米=1米

这是1秒后乌龟领先人的距离，人再去追上这1米所需的时间为：

1/10秒=0.1秒

如此无限反复下去，人追上乌龟的时间为：

10+1+0.1+0.01+0.001+0.0001+…秒=11.11…秒，也就是100/9秒，所以人可以在有限时间内追上乌龟。

（2）薛定谔的猫

根据量子力学的哥本哈根诠释，在没有进行观测时，量子系统是处于不确定的叠加态。一旦进行观测，波函数坍缩，不确定性消失，量子系统将会变成一种确定的状态。这样的描述与我们的常识大相径庭，而且还会影响宏观世界。

于是，量子力学奠基人之一的薛定谔提出了这样的一个思想实验。在一个密闭的箱子中，放置一块放射性物质，如果它发生衰变，由此产生的粒子将会触发盖革计器放电，通过继电器释放出铁锤，铁锤掉下来砸破毒药瓶，引发箱子内的猫死亡。如果放射性物质没有衰变，箱子内的猫仍然是活着的。

根据哥本哈根诠释，在没有打开箱子进行观测时，放射性物质的衰变是不确定的，处于叠加态，这就会导致箱子内的猫也处于不确定的“又死又活”状态。这就是著名的薛定谔的猫。

对此，多世界诠释或者说平行宇宙理论被提出来。箱子内的猫其实既活着，又死了，这会衍生出两个互不相干的平行宇宙，每条时间线中的观测者都会观测到确定的状态。

（3）麦克斯韦妖

熵增定律表明，孤立系统的有序度只会越来越低，混乱度只会越来越高，这是不可逆转的过程。举个例子，水和乙醇混合之后，无法自发地分离出纯净的水和乙醇。由于整个宇宙被认为是孤立系统，这意味着宇宙注定在未来达到熵值最大的热寂状态，那时的宇宙将会陷入完全的死寂之中。

但根据著名物理学家麦克斯韦的设想，宇宙或许还有救，这就需要麦克斯韦妖。麦克斯韦妖可以控制每个粒子的运动，意味着这种“神兽”具有逆熵的能力，让混合后的水和乙醇分子单独分开，也能让宇宙中的其他粒子变得更有序，从而扭转宇宙的热寂结局。

（4）拉普拉斯妖

这只“神兽”最初由物理学家、数学家拉普拉斯提出。从微观上来看，宇宙万物都是粒子，宇宙的运转是所有粒子共同运动的结果。拉普拉斯妖知道宇宙中所有粒子的动量和位置，所以宇宙中发生的一切事情都是注定的，而且都能被计算出来。

但随着量子力学的发展，物理学家意识到微观世界被不确定性所支配，我们根本不可能同时准确测出一个粒子的动量和位置。另外，根据混沌理论，在我们试图计算粒子的未来时，我们的计算行为会影响到粒子的运动，这种差异会被逐渐放大，从而导致结果变得不可预测。

最后，如果让这物理学四大神兽互相掐架，大家觉得谁会赢呢？