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耀明的博客

太平猴魁——中国十大名茶之一。好的博客有如茶,应该让人慢慢品尝。

 
 
 

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物理学中十大著名的思想实验(下)  

2016-07-06 08:50:02|  分类: 科学技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  6.拉普拉斯妖

牛顿之后的时代,经典力学在描述世界上产生了巨大的成功,人们逐渐的相信世界是可以用物理定律机械地描述的。比较极端地,拉普拉斯就相信机械决定论,认为世间万物(包括人类、社会)都逃不过确定的物理定律的掌控。

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#实验#“我们可以把宇宙现在的状态视为其过去果以及未来的因。如果一个智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。”——拉普拉斯

拉普拉斯提到的“智能”,便是后人所称的“拉普拉斯妖”。倘若拉普拉斯妖是存在的,那这个世界也太可怕了:你我的行为全部都可以通过计算得出,我们的命运也全都被物理定律+初始条件严格的定出了,没有什么会是计算之外的,那生活还有什么乐趣可言!幸运的是,混沌理论和量子力学的发展,让拉普拉斯妖永远也不可能存在了。量子力学告诉我们,物理量都是有不确定性的,不可能无误差地精确测量。而混沌理论则表明,只要涉及3个及更多的物体,初始条件的极其微小的差别将导致最后结果的千差万别。从另一个角度来说,拉普拉斯妖是基于经典力学可逆过程的,然而真实的系统确实满足热力学第二定律(熵增原理)的不可逆过程。因此世界仍是充满不确定性充满了惊喜的,人也可以凭借自己的主观努力去改变自己的命运。

 

7.麦克斯韦妖

中学时我们都曾学过热力学第二定律(熵增原理):孤立系统的不可逆过程熵总是在增加。“落叶永离,覆水难收;欲死灰之复燃,艰乎其力;愿破镜之重圆,冀也无端;人生易老,返老还童只是幻想;生米煮成熟饭,无可挽回...”这些都是熵增原理在实际生活中的反应,它现在也已经成为了物理学中最牢不可破的原理之一。然而当年麦克斯韦却曾提出过一个对熵增原理的诘难,非常令人困惑。

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#实验#一个绝热容器被分成相等的两格,中间是由“麦克斯韦妖”控制的一扇小“门”,容器中的空气分子作无规则热运动时会向门上撞击,“门”可以选择性的将速度较快的分子放入一格,而较慢的分子放入另一格,这样,其中的一格就会比另外一格温度高,系统的熵降低了。可以利用此温差,驱动热机做功,而这是与热力学第二定律相矛盾的。

对于这个诘难的反驳,可并不是一件轻松的事情。有人可能以为麦克斯韦妖在打开、关闭门的时候需要消耗能量,这里产生的熵增会抵消掉系统熵的降低。然而开关门消耗的能量却不是本质的,它可以任意降低到足够小。对于麦克斯韦妖的真正解释,直到20世纪才被揭开。关于熵的问题向来比较难懂,因此我直接引用赵凯华先生在《新概念力学·热学》中的话:“麦克斯韦妖有获得和存储分子运动信息的能力,它靠信息来干预系统,使它逆着自然界的方向进行。按现代的观点,信息就是负熵,麦克斯韦妖将负熵输入给系统,降低了它的熵。那么,麦克斯韦妖怎样才能获得所需的信息呢?它必须有一个温度与环境不同的微型光源去照亮分子,这就需要耗费一定的能量,产生额外的熵。麦克斯韦妖正是以此为代价才获得了所需的信息(即负熵)的,这额外熵的产生补偿了系统里熵的减少。总起来说,即使真有麦克斯韦妖存在,它的工作方式也不违反热力学第二定律。”

 

8.双生子佯谬

爱因斯坦的狭义相对论建立了全新的时空观,对于当时的人们来说难以接受。因此自从提出以来,狭义相对论就受到了各种诘难,其中最著名的当属双生子佯谬。但是无论如何诘难,狭义相对论都可以很完美的给出解释,所有的佯谬都被一一化解,研究这些佯谬可以更加深刻的理解狭义相对论的时空观。

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#实验#在狭义相对论中,运动的参考系时间会变缓,即所谓的动钟变慢效应。现在设想这样一个情景:有一对双胞胎A和B,A留在地球上,B乘坐接近光速的飞船向宇宙深处飞去。飞船在飞出一段距离之后掉头往回飞,最终降落回地球,两兄弟见面。现在问题来了:A认为B在运动的时候时间变慢,B应当比A年轻;而同样地,在B看来,是A一直在运动,是A的时间变慢了,A应当比B年轻才是。那么兄弟俩究竟谁更年轻呢?狭义相对论是否自相矛盾了?

事实上,理解双生子佯谬的关键,是要清楚A和B的地位并不对等:两人中只有B经历了加速过程,B在飞船掉头的时候不可避免的要经历一次加速。因此,只有A才是处在狭义相对论成立的惯性系当中,只有A的看法是正确的:当兄弟俩见面时,B比A更年轻。类似的效应已经被精密实验所证实了。其实只要用狭义相对论做详尽的计算,也能够从B的角度理解为什么B比A更年轻,但是这不得不做繁琐的计算,这里就不给出了。至此我们可以放心地说,狭义相对论在这个问题上是没有包含矛盾的。但是出去旅游一圈的双胞胎兄弟居然回来就比较年轻了,这一点可是颠覆了大多数人的世界观的...可是这是事实,不信也得信呀!

 

9.等效原理

在中学里大家都学了质量的概念,然而事实上是有两种不同的质量的:惯性质量和引力质量。惯性质量是F=ma中的m,它是惯性大小的量度;引力质量是F=GMm/r^2中的m,它是引力大小的量度。之所以中学里并不对这二者进行区分,是因为这二者精确地相等。这一事实并不是理所当然的,而爱因斯坦正是通过这一神奇的事实,归纳出了广义相对论的一个基本假设:等效原理。

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#实验#设想一个处于自由空间(没有引力作用)中的宇宙飞船,它以a=9.8m/s^2的加速度做加速直线运动。倘若里面的人扔出一个小球,小球由于惯性,将以9.8m/s^2的加速度落地;而这正如一个处于引力场中的惯性系所表现的那样。非惯性系中的惯性力正比于惯性质量,而引力则正比于引力质量。惯性质量与引力质量相等这一事实,导致了惯性力与引力这两种效应无法区分,这就是弱等效原理。爱因斯坦进一步推广,对于一切物理过程(不仅仅是力学过程),自由空间中的加速运动参考系,与引力作用下的惯性系,这二者在原则上完全不可区分,这就是强等效原理。

“引力场中一切物体都具有同一的加速度,这条定律也可表述为惯性质量同引力质量相等,它当时就使我认识到它的全部重要性。我为它的存在感到极为惊奇,并且猜想其中必有一把可以更深入了解惯性和引力的钥匙。”——爱因斯坦。

 

10.薛定谔的猫

薛定谔的猫恐怕是物理界最著名的一只虚构小动物了,它是量子力学的创始人之一——薛定谔为了说明量子力学并不完备而提出的。

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#实验#把一只猫放进一个封闭的盒子里,然后把这个盒子连接到一个包含一个放射性原子核和一个装有有毒气体的容器的实验装置。设想这个放射性原子核在一个小时内有50%的可能性发生衰变。如果发生衰变,它将会发射出一个粒子,而发射出的这个粒子将会触发这个实验装置,打开装有毒气的容器,从而杀死这只猫。根据量子力学,未进行观察时,这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态,猫则处在死和活的叠加态,即“既死又活”(而不是很多人误解的“半死不活”、“要么死要么活”)。但是,如果在一个小时后把盒子打开,实验者只能看到“衰变的原子核和死猫”或者“未衰变的原子核和活猫”两种情况。现在的问题是:这个系统从什么时候开始不再处于两种不同状态的叠加态而成为其中的一种?在打开盒子观察以前,这只猫是死了还是活着抑或既死又活?这个实验的原意是想说明,如果不能对波函数塌缩以及对这只猫所处的状态给出一个合理解释的话,量子力学本身是不完备的。

薛定谔的猫是物理学家的一个噩梦,它把微观的量子力学效应放大到了宏观的日常生活,使得一切都变得十分诡异。对于薛定谔的猫的解释,涉及到了多种对量子力学的深刻哲学理解,本文就不详述了,如果你想搞清楚这只神奇的猫的命运,那么请到物理学院来学习吧!

 

后记

思想实验是物理学史上伟大的智慧结晶,回顾一番足以看出其中闪耀的智慧光芒。望这些思想实验能够给读者带来对世界认识的启迪吧。

 

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