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第五十五章 物理学神兽

    天幕下,石阶旁,几个孩子正闹成一团。

    一个七八岁的小男孩双手叉腰,下巴抬得老高:“鳄鱼叔叔是最强!”

    另一个孩子不服气,蹦起来挥着拳头:“不对不对,猿神才是最牛逼的!”

    两个人你推我一下,我搡你一下,眼看就要打起来。

    刘易斯镇长赶紧走过去,一手一个把俩孩子拉开,蹲下来,笑眯眯地逗他们:

    “别争了,别争了,奶龙才是真正的神兽。”

    两个孩子同时愣住,眨巴着眼睛,异口同声地问:“什么是神兽?”

    “额这个嘛”刘易斯挠了挠脑袋,想了想,一本正经地说,“就是非常厉害的生物。”

    话音刚落,头顶一片白光猛地炸开。孩子们“哇”地叫出声来,齐刷刷仰起脸。

    天幕,在这个时候拉开了帷幕。

    【在物理学的神话体系里,有四只著名的“神兽”。

    它们不是蹲在庙门口的石狮子,也不是《山海经》里的奇珍异兽,而是物理学家们为了想清楚某个问题,在脑子里圈养的“思维宠物”。

    这四只神兽分别在运动学、热力学、量子力学和决定论的地盘上撒过野,把一代又一代最聪明的人类逼到抓狂。

    而它们各自的命运也各不相同,有的已经被干净利落地“收服”,有的至今还在实验室和哲学论文里兴风作浪。】

    天幕上的话还没落音,牛顿已经抬起了头。

    “物理神兽?”他放下手中的羽毛笔,腰背挺直了几分,目光里带着一种科学家特有的、既怀疑又好奇的神情。

    这说法真奇特。他在心里琢磨了一下,把抽象的物理问题比作神兽,倒是头一回听说。

    他要看看,这所谓的神兽究竟是什么。

    维多利亚女王搁下手里的茶杯,微微侧了侧头。

    物理学还能跟神话扯上关系吗?她皱了一下眉,随即又舒展开了。

    天幕都播了这么多稀奇古怪的东西了,会飞的机器、隔着万里传话、ai、丧尸,也不差这一个了。

    她往后靠了靠,换了个更舒服的姿势,准备听听看。

    爱因斯坦躺在花园的藤椅上,草帽扣在脸上,只露出一双半眯著的眼睛。

    阳光从树叶缝隙里漏下来,在他身上洒了一身碎金。

    他听到“物理神兽”四个字,嘴角微微弯了一下,帽子底下的声音懒洋洋的,带着一种老头儿听小孩讲故事的随意劲儿:“什么神兽玩意说来听听。”

    【第一只:芝诺的乌龟——跑不赢的“悖论之王”

    这只乌龟大概是人类科学史上资格最老的“神兽”,诞生于公元前5世纪的古希腊。

    它的主人叫芝诺,是个擅长抬杠的哲学家。

    他给全世界出了一道题:阿喀琉斯,特洛伊战争里跑得最快的英雄,要去追前面一只乌龟。

    阿喀琉斯的速度是乌龟的十倍,所以让乌龟先跑100米。

    每次阿喀琉斯追到乌龟刚才的位置,乌龟都已经往前挪了一小步。

    芝诺问:这样下去,阿喀琉斯怎么可能追得上乌龟?

    这当然是个悖论,因为只要阿喀琉斯跑到操场上去,一脚就能把乌龟踢飞。

    但问题在于,你没法在纯逻辑上指出芝诺到底错在了哪儿,在数学工具不够用的年代,这道题困扰了人类整整两千年。

    但它被极限和微积分解决了。

    17世纪,牛顿和莱布尼茨发明了微积分,数学家们终于学会了一件事:

    无穷多个递减的时间片段,加起来可以是有限的。

    阿喀琉斯追乌龟的每一步间隔时间越来越短,累加起来的总和是一个收敛级数,最后趋向于一个确定的数值,在那个时间点,阿喀琉斯正好踩到乌龟。

    亚里士多德当年其实也隐约感觉到了什么,他区分了“现实的无限”和“潜在的无限”,但直到微积分把无穷级数收敛性算清楚,这只乌龟才被彻底“驯服”。

    当然,在哲学层面,关于空间和时间是否无限可分的争论一直没有完全停止,但至少在物理和数学上,阿喀琉斯可以放心跑了。】

    天幕下,佃户们听完芝诺的乌龟,有人“嗤”地笑出了声。

    “人怎么可能跑不过乌龟?”一个年轻佃户不屑地撇了撇嘴。

    另一个佃户却皱起眉头,较起了真:“那他说的没有道理吗?一直分下去,无穷无尽——”

    “额”刚才那个佃户语塞了,挠了挠脑袋,想了半天,一挥手,“反正天幕都说了,已经被解决了嘛!肯定跑得过就对了!”

    旁边几个人点点头,觉得这话没毛病,又觉得好像哪里不太对,但谁也不愿意再往下想了。

    牛顿坐在石阶上,双手交叠搭在膝盖上,听完天幕的讲述,缓缓点了点头,目光里透出一种“老熟人”般的会意。

    “芝诺的乌龟”他低声重复了一遍,嘴角微微弯了一下,“那就是微积分解决的问题嘛。把它称为神兽,确实不为过。”

    一来,困扰了人类两千多年;二来,直接推动了微积分的形成,那可是数学的基础。

    小小芝诺乌龟,被你牛爷爷轻松斩于刀下。

    麦克斯韦和法拉第并肩站在书房的壁炉前。

    两个人本来各自在忙自己的事,法拉第正在整理电磁实验的笔记,麦克斯韦在翻一本关于热力学的著作。

    天幕讲到芝诺的乌龟时,两个人不约而同地停下了手里的活,抬起头听了一会儿。

    “已经被解决了。”法拉第把笔记合上,语气里带着一种安心的平淡。

    麦克斯韦点了点头,目光从天幕上收回来,落在法拉第脸上:

    “意义确实重大,不过好歹已经收服了。就是不知道,接下来还会有什么样的神兽。”

    两个人对视了一眼,都从对方眼里看到了一种既期待又警惕的光。

    此刻,爱因斯坦躺在花园的藤椅上,草帽还扣在脸上,但嘴已经张开了。。”

    他的声音从草帽底下飘出来,带着一丝不耐烦的懒散,“难道还会有人拿着这个一直吵吗?”

    他嘟囔了一句,翻了个身,藤椅吱呀响了一声。

    草帽歪了歪,露出一只闭着的眼睛。那只眼睛似乎翻了个白眼,然后又闭上了。

    【第二只:拉普拉斯妖——宇宙的终极“算命先生”

    1814年,法国数学家拉普拉斯提出了一个狂妄至极的设想。

    他说,假如有一个智慧体,在某个瞬间知道宇宙中所有粒子的位置和速度,并且拥有足够的计算能力来运用牛顿力学,那么“没有任何东西是不确定的,未来和过去都会像现在一样呈现在它眼前”。

    这个智慧体后来被叫做“拉普拉斯妖”。它是决定论的终极化身,宇宙是一部精密运转的巨型钟表,只要知道初始条件,一切都可以被计算。

    人类的自由意志?

    不过是复杂计算的幻觉。

    这个想法统治了物理学界一个多世纪,没人能反驳,因为牛顿力学实在太成功了,从苹果落地到行星轨道,无一不精准。

    解决了吗?解决得彻彻底底,被三把刀砍死的。

    第一把刀是热力学第二定律和统计力学。

    19世纪,玻尔兹曼等人发现,大量粒子的集体行为涉及概率,单靠追踪每个粒子来预测宏观状态根本不现实。

    第二把刀更致命,来自20世纪的量子力学。海森堡的测不准原理宣布:

    你不可能同时精确知道一个粒子的位置和动量。

    这不是技术不行,是宇宙的底层规则。

    加上混沌理论补充的第三刀,即使是一个确定性的系统,对初始条件的极度敏感也让长期预测变成不可能,拉普拉斯妖被彻底宣告死亡。

    它死在了一个概率的、不确定的、混沌的真实宇宙里,至今没有人试图复活它。】

    天幕上的话还没落音,佃户们已经乐开了。

    “世界上怎么可能有这种能知道宇宙一切事物的生物啊?”

    一个年轻佃户笑得前仰后合,觉得这个“拉普拉斯妖”比刚才那只乌龟还不靠谱。

    另一个佃户倒是认真想了想,摸著下巴说:

    “不得不说,前面芝诺的乌龟好歹还能理解,追不上嘛,想想也就通了。

    但这个这个讲得未免太玄乎了吧?全知全能?”

    他顿了顿,声音忽然低了下去,像是怕被谁听见,“那不是上帝”

    空气忽然安静了一瞬。

    刚才笑得最大声的那个佃户,嘴角僵住了,后背一阵一阵地冒冷汗。

    他偷偷往天上看了一眼,又赶紧低下头,把衣领紧了紧,不敢再说话了。

    帽子工厂启动,你在否认什么,反对什么,暗示什么?

    麦克斯韦和法拉第对视一眼,两个人的表情都比刚才严肃了许多。

    “拉普拉斯的假想,”法拉第缓缓开口,手指在桌面上轻轻敲了一下,“我们也知道。

    不过”他顿了顿,眉头微微皱起,“拿它没有任何办法。”

    麦克斯韦没有说话,但他的目光一直盯在天幕上那句“宏观与微观的区别”上,像钉子一样扎在那里。

    过了好一会儿,他才低声说了一句:“经典力学好像失效了。”

    两个人同时沉默了几秒,然后不约而同地转向对方。

    “依天幕的说法,”法拉第的眼睛微微发亮,“咱们应该已经离微观世界的大门不远了。”

    麦克斯韦点了点头,嘴角浮起一丝极淡的笑意:“看来得继续研究。找到突破口。”

    学生:我真求求你了,要我怎么做才能挽回我是轻薄的物理课本

    花园里,藤椅发出一声刺耳的“嘎吱”。

    爱因斯坦猛地坐了起来,草帽从脸上滑落,掉在地上,他看都没看一眼。

    “宇宙是混乱的、概率性的、不确定的?”

    他的声音不大,但每个字都像是从牙缝里挤出来的,带着一种压抑不住的激动,“这个说法太糟糕了。”

    他站起身,在藤椅前来回踱了两步,双手插在裤袋里,肩膀微微耸著。

    他反对量子力学的这个说法,反对了那么多年上帝不掷骰子,这是他最坚定的信念之一。

    可天幕上那句“拉普拉斯妖被彻底宣告死亡”,像一记闷锤,砸在他心口上。

    他不淡定了。

    难道真的是他错了?难道上帝确确实实会扔骰子?

    他停下脚步,望着天幕上那片正在缓缓滚动的内容,目光复杂得像一团解不开的线。

    虽然天幕出现之后,这个问题本身可能已经没有意义了,答案已经摆在那里,不管他愿不愿意接受。可他,还是不甘心。

    爱因斯坦:我要告天幕虐待老人!

    【第三只:麦克斯韦妖——挑战热力学第二定律的“小精灵”

    这只神兽是四大神兽里唯一有具体工作岗位的门卫。

    1871年,物理学家麦克斯韦设想了一个极小的“存在”,它守在一个密闭容器的两个隔间之间,掌控著一扇无摩擦的滑动门。

    容器里充满气体分子,有些分子速度快,有些速度慢。

    这个门卫有一个绝活:它能看到每一个飞过来的分子。

    当快分子从右边飞来,它开门;慢分子从右边飞来,它关门。

    左边反过来操作。结果就是左边越来越热,右边越来越冷,在不消耗任何能量、不对外做功的情况下,熵减少了。

    这直接扇了热力学第二定律一记耳光。第二定律说,孤立系统的熵永远只增不减,宇宙终将走向热寂。

    但麦克斯韦妖证明,只要有一个能识别分子速度的“智能门卫”,这个铁律就会被打破。

    它的解决方式极其深刻,被资讯理论收编了。

    1929年,匈牙利物理学家西拉德率先提出,麦克斯韦妖要区分分子快慢,必须“测量”,而测量这一动作本身就伴随着熵产生。

    真正把这只妖彻底“招安”

    他证明了一个原理:信息不是免费的,擦除信息必定消耗能量、增加熵。

    妖要不断获取信息、处理信息、擦除内存,这个过程产生的熵增,至少等于它“违规”减少的那部分熵。

    换句话说,麦克斯韦妖没有推翻第二定律,它只是把第二定律从“热力学定律”升级成了“热力学加资讯理论的联合定律”。

    这只妖没有白白折腾,它直接催生了信息和物理世界关系的深刻理解,至今仍在启发著量子计算和纳米技术的研究。】

    天幕上关于麦克斯韦妖的讲述还在继续,底下的佃户们已经彻底放弃了理解的努力。

    “这又是什么鬼啊?”一个佃户抓耳挠腮,满脸的迷茫。

    “我也不知道。”旁边的另一个佃户摊了摊手,表情比他更迷茫。

    “咳咳。”刘易斯镇长不知什么时候踱了过来,清了清嗓子,双手叉腰,摆出一副高深莫测的模样,“你们没听过吗——熵增的方向,就是时间的箭头。”

    几个佃户齐刷刷转过头看着他,眼神里写满了复杂的情绪。

    一个年轻佃户挑了挑眉,毫不客气地怼了回去:

    “又是你夏威夷学的?装尼玛呢——显著你了?”

    刘易斯嘴角抽了抽,没再说话,默默地把手从腰上放了下来。

    刘易斯:就这样对待真诚的我

    牛顿咬了一口苹果,嚼得很慢。他盯着天幕上那句“熵增”和“混沌与秩序”,目光像是在看很远的地方。

    这个时代的知识还是太少了,他想。

    他恨不得穿越到未来去,哪怕只看一眼,把那边的书本翻上几页,也比坐在这里猜来猜去强得多。

    他把苹果核放在石阶上,拍了拍手,心里已经开始盘算回去之后要怎么研究这个“熵”了。

    麦克斯韦站在书房里,看着自己的名字又一次出现在天幕上,微微愣了一下。

    上一次是波粒二象性,这一次是麦克斯韦妖。

    他下意识地挺了挺腰板,嘴角浮起一丝不易察觉的笑意。

    “熵增,”他点了点头,声音里带着一种确认后的踏实感,“确实是个好问题。这样看来,是不可逆的。”

    他忽然顿住了,目光落在旁边正盯着天幕出神的法拉第身上。

    两个人几乎在同一时刻转过头,对视了一眼 

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