物理實(shí)驗(yàn)的智慧光芒 課件 物理學(xué)上的“四大神獸”

物理學(xué)上的“四大神獸”第一節(jié).芝諾的烏龜?shù)诙?jié).拉普拉斯獸第三節(jié).麥克斯韋妖第四節(jié).薛定諤的貓物理學(xué)上的四大神獸第一節(jié)芝諾的烏龜芝諾（Zeno，約公元前490-公元前430），古希臘哲學(xué)家。在2000多年前芝諾提出一個(gè)著名的悖論：阿基里斯能趕上烏龜嗎？芝諾悖論是古希臘無(wú)窮小思想的萌芽阿基里斯與烏龜?shù)馁惻苤ブZ：阿基里斯永遠(yuǎn)追不上烏龜！每次阿基里斯跑到烏龜上一時(shí)刻的位置時(shí)，烏龜都有向前跑了一段距離，盡管超前的距離越來(lái)越小，但是永遠(yuǎn)是超前的！古代哲學(xué)家莊子《莊子﹒天下》中寫(xiě)道：“一尺之錘，日取其半，萬(wàn)世不竭”。一尺長(zhǎng)的棍棒，每日截取它的一半，永遠(yuǎn)截不完。反映了道家對(duì)事物具有無(wú)限可分性的認(rèn)識(shí)。芝諾悖論提出整整2000年后由數(shù)學(xué)家萊布尼茲和物理學(xué)家牛頓分別發(fā)現(xiàn)微積分中的“極限求和”

第二節(jié)拉普拉斯獸拉普拉斯（(Pierre-SimonLaplace,1749－1827)，法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。以他的名字命名的拉普拉斯變換、拉普拉斯方程、拉普拉斯算子等在數(shù)學(xué)和物理學(xué)史上留下了光輝的一頁(yè)。拉普拉斯在數(shù)學(xué)上的主要成就是在概率論上，是分析概率論的創(chuàng)始人，應(yīng)用數(shù)學(xué)的先驅(qū)。拉普拉斯在物理學(xué)上的主要貢獻(xiàn)在天體力學(xué)上。拉普拉斯方程表示了液面曲率與液體表面壓強(qiáng)之間的關(guān)系，方程中出現(xiàn)的偏微分算子被稱(chēng)為拉普拉斯算子.我們可以把宇宙現(xiàn)在的狀態(tài)看作是它歷史的果，和未來(lái)的因。如果存在這么一個(gè)智者，它在某一時(shí)刻，能夠獲知驅(qū)動(dòng)這個(gè)自然運(yùn)動(dòng)的所有的力，以及組成這個(gè)自然的所有物體的位置，并且這個(gè)智者足夠強(qiáng)大，可以把這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，那么宇宙之中從最宏大的天體到最渺小的原子都將包含在一個(gè)運(yùn)動(dòng)方程之中；對(duì)這個(gè)智者而者，未來(lái)將無(wú)一不確定，恰如歷史一樣，在它眼前一覽無(wú)遺拉普拉斯獸可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出你的每一個(gè)組成部分，那么你作為整體當(dāng)然也就確定了。那么，整個(gè)宇宙的一切命運(yùn)全部不言而喻地難逃那個(gè)注定的命運(yùn)。這是多么令人悲哀的結(jié)論啊!熱力學(xué)宇宙是一個(gè)開(kāi)放的宇宙，以現(xiàn)在的信息不能完整地預(yù)測(cè)未來(lái)混沌學(xué)物理系統(tǒng)對(duì)初始條件很敏感，細(xì)小的差異，使最終行為產(chǎn)生巨大的差別量子力學(xué)不確定原理——微觀粒子不可能同時(shí)具有確定的位置和動(dòng)量。第三節(jié)麥克斯韋妖麥克斯韋（JamesClerkMaxwell，1831?1879），英國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的奠基人之一。麥克斯韋在物理學(xué)更負(fù)盛名的是他的電磁學(xué)方程，奠定了經(jīng)典電磁學(xué)大廈。麥克斯韋在熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)力學(xué)上也有卓越的貢獻(xiàn)。當(dāng)左室分子向右室運(yùn)動(dòng)時(shí)，他關(guān)閉小孔；當(dāng)右室分子向左室運(yùn)動(dòng)時(shí)，他打開(kāi)小孔。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，分子全部回到左室，從新恢復(fù)了左右兩邊的壓差，卻不用做功。溫度均勻，分子以不同速度運(yùn)動(dòng)，只允許速度較快分子從A到B，速度較慢分子從B到A，不用做功，使B的溫度升高A的溫度降低，違背了熱力學(xué)第二定律。麥克斯韋設(shè)想了一個(gè)無(wú)影無(wú)形的精靈，他單憑觀察就能通曉所有分子的軌跡和速度，但除了開(kāi)關(guān)一個(gè)小孔外，不能做功。麥克斯韋妖的高明妖術(shù)在于能使系統(tǒng)的熵減小。要做到這一點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)誤地操作小門(mén)，小妖必須取得分子的位置、速度方向、大小的詳細(xì)信息，并能記憶信息。小妖要看清分子，必須用另一束光照射分子，被分子散射的光子落入小妖的眼睛，這一過(guò)程涉及熱量從高溫?zé)嵩吹降蜏責(zé)嵩吹牟豢赡孢^(guò)程，導(dǎo)致系統(tǒng)熵增加。小妖操縱分子，使快慢分子分離，系統(tǒng)熵減小，但總效果熵增加。麥克斯韋的功勛是使我們把信息和熵聯(lián)系起來(lái)了，認(rèn)識(shí)了信息的本質(zhì)，明確了信息與熵的定量關(guān)系。新生機(jī)耗散結(jié)構(gòu)理論：一個(gè)遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性的開(kāi)放系統(tǒng)(不管是物理的、化學(xué)的、生物的乃至社會(huì)的、經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng))通過(guò)不斷地與外界交換物質(zhì)和能量，在系統(tǒng)內(nèi)部某個(gè)參量的變化達(dá)到一定的閾值時(shí)，通過(guò)漲落，系統(tǒng)可能發(fā)生突變即非平衡相變，由原來(lái)的混沌無(wú)序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時(shí)間上、空間上或功能上的有序狀態(tài)。這種在遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)形成的新的穩(wěn)定的宏觀有序結(jié)構(gòu)，由于需要不斷與外界交換物質(zhì)或能量才能維持，因此稱(chēng)之為“耗散結(jié)構(gòu)”(dissipativestructure)。熵增原理：熵增也是能量退化的量度量子計(jì)算的新技術(shù)：一次性觀察了所有粒子第四節(jié)薛定諤的貓薛定諤，（ErwinSchr?dinger，1887—1961），奧地利物理學(xué)家，量子力學(xué)的奠基人之一。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了薛定諤方程，可以用來(lái)求解微觀粒子的波函數(shù)，從而確定微觀粒子的狀態(tài)和出現(xiàn)的概率，于1933年和英國(guó)物理學(xué)家狄拉克共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。薛定諤的貓一只貓被關(guān)進(jìn)一個(gè)密閉的容器里，旁邊放置一個(gè)毒氣瓶，其上方有一個(gè)可以控制其下落的錘子，錘子下落的電子開(kāi)關(guān)由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出粒子，觸動(dòng)電子開(kāi)關(guān)，錘子落下，砸碎毒藥瓶，釋放出里面的氰化物氣體，貓必死無(wú)疑。然而原子核的衰變是隨機(jī)事件，也就意味著是否衰變是個(gè)概率事件，我們不能確定。我們只有打開(kāi)密封的容器才能看到貓，確定貓的死活。量子力學(xué)的一個(gè)概念“疊加態(tài)”根據(jù)哥本哈根學(xué)派的解釋?zhuān)催M(jìn)行觀察時(shí)，這個(gè)原子處于已衰變和未衰變的疊加態(tài)，因此，那只可憐的貓就應(yīng)該相應(yīng)地處于“死”和“活”的疊加態(tài)。非死非活，又死又活，狀態(tài)不確定，直到有人打開(kāi)盒子觀測(cè)它。根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，貓要么死了，要么沒(méi)死。我們只要打開(kāi)箱子看看就知道了?？墒歉鶕?jù)量子力學(xué)的哥本哈根詮釋?zhuān)藭r(shí)貓的情況是一種過(guò)渡狀態(tài)，呈現(xiàn)這種狀態(tài)的波函數(shù)既包含貓死的可能性，也包含貓活著的可能性，處于死和活的疊加態(tài)。我們看箱子以后，這兩個(gè)可能性就一個(gè)成真，一個(gè)消失，這就是波函數(shù)的坍縮。這也就意味著，我們的觀測(cè)決定了貓的命運(yùn)。從常識(shí)上來(lái)講，這是不可理解的。但是在量子力學(xué)中，微觀粒子的態(tài)疊加