物理实验的智慧光芒 课件 物理学上的“四大神兽”

物理学上的“四大神兽”第一节.芝诺的乌龟第二节.拉普拉斯兽第三节.麦克斯韦妖第四节.薛定谔的猫物理学上的四大神兽第一节芝诺的乌龟芝诺（Zeno，约公元前490-公元前430），古希腊哲学家。在2000多年前芝诺提出一个著名的悖论：阿基里斯能赶上乌龟吗？芝诺悖论是古希腊无穷小思想的萌芽阿基里斯与乌龟的赛跑芝诺：阿基里斯永远追不上乌龟！每次阿基里斯跑到乌龟上一时刻的位置时，乌龟都有向前跑了一段距离，尽管超前的距离越来越小，但是永远是超前的！古代哲学家庄子《庄子﹒天下》中写道：“一尺之锤，日取其半，万世不竭”。一尺长的棍棒，每日截取它的一半，永远截不完。反映了道家对事物具有无限可分性的认识。芝诺悖论提出整整2000年后由数学家莱布尼兹和物理学家牛顿分别发现微积分中的“极限求和”

第二节拉普拉斯兽拉普拉斯（(Pierre-SimonLaplace,1749－1827)，法国数学家、物理学家。以他的名字命名的拉普拉斯变换、拉普拉斯方程、拉普拉斯算子等在数学和物理学史上留下了光辉的一页。拉普拉斯在数学上的主要成就是在概率论上，是分析概率论的创始人，应用数学的先驱。拉普拉斯在物理学上的主要贡献在天体力学上。拉普拉斯方程表示了液面曲率与液体表面压强之间的关系，方程中出现的偏微分算子被称为拉普拉斯算子.我们可以把宇宙现在的状态看作是它历史的果，和未来的因。如果存在这么一个智者，它在某一时刻，能够获知驱动这个自然运动的所有的力，以及组成这个自然的所有物体的位置，并且这个智者足够强大，可以把这些数据进行分析，那么宇宙之中从最宏大的天体到最渺小的原子都将包含在一个运动方程之中；对这个智者而者，未来将无一不确定，恰如历史一样，在它眼前一览无遗拉普拉斯兽可以准确预测出你的每一个组成部分，那么你作为整体当然也就确定了。那么，整个宇宙的一切命运全部不言而喻地难逃那个注定的命运。这是多么令人悲哀的结论啊!热力学宇宙是一个开放的宇宙，以现在的信息不能完整地预测未来混沌学物理系统对初始条件很敏感，细小的差异，使最终行为产生巨大的差别量子力学不确定原理——微观粒子不可能同时具有确定的位置和动量。第三节麦克斯韦妖麦克斯韦（JamesClerkMaxwell，1831〜1879），英国物理学家、数学家。经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。麦克斯韦在物理学更负盛名的是他的电磁学方程，奠定了经典电磁学大厦。麦克斯韦在热力学统计力学上也有卓越的贡献。当左室分子向右室运动时，他关闭小孔；当右室分子向左室运动时，他打开小孔。经过一段时间后，分子全部回到左室，从新恢复了左右两边的压差，却不用做功。温度均匀，分子以不同速度运动，只允许速度较快分子从A到B，速度较慢分子从B到A，不用做功，使B的温度升高A的温度降低，违背了热力学第二定律。麦克斯韦设想了一个无影无形的精灵，他单凭观察就能通晓所有分子的轨迹和速度，但除了开关一个小孔外，不能做功。麦克斯韦妖的高明妖术在于能使系统的熵减小。要做到这一点，实现无误地操作小门，小妖必须取得分子的位置、速度方向、大小的详细信息，并能记忆信息。小妖要看清分子，必须用另一束光照射分子，被分子散射的光子落入小妖的眼睛，这一过程涉及热量从高温热源到低温热源的不可逆过程，导致系统熵增加。小妖操纵分子，使快慢分子分离，系统熵减小，但总效果熵增加。麦克斯韦的功勋是使我们把信息和熵联系起来了，认识了信息的本质，明确了信息与熵的定量关系。新生机耗散结构理论：一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持，因此称之为“耗散结构”(dissipativestructure)。熵增原理：熵增也是能量退化的量度量子计算的新技术：一次性观察了所有粒子第四节薛定谔的猫薛定谔，（ErwinSchrödinger，1887—1961），奥地利物理学家，量子力学的奠基人之一。因为发现了薛定谔方程，可以用来求解微观粒子的波函数，从而确定微观粒子的状态和出现的概率，于1933年和英国物理学家狄拉克共同获得诺贝尔物理学奖。薛定谔的猫一只猫被关进一个密闭的容器里，旁边放置一个毒气瓶，其上方有一个可以控制其下落的锤子，锤子下落的电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则放出粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，猫必死无疑。然而原子核的衰变是随机事件，也就意味着是否衰变是个概率事件，我们不能确定。我们只有打开密封的容器才能看到猫，确定猫的死活。量子力学的一个概念“叠加态”根据哥本哈根学派的解释，未进行观察时，这个原子处于已衰变和未衰变的叠加态，因此，那只可怜的猫就应该相应地处于“死”和“活”的叠加态。非死非活，又死又活，状态不确定，直到有人打开盒子观测它。根据经典物理学，猫要么死了，要么没死。我们只要打开箱子看看就知道了。可是根据量子力学的哥本哈根诠释，此时猫的情况是一种过渡状态，呈现这种状态的波函数既包含猫死的可能性，也包含猫活着的可能性，处于死和活的叠加态。我们看箱子以后，这两个可能性就一个成真，一个消失，这就是波函数的坍缩。这也就意味着，我们的观测决定了猫的命运。从常识上来讲，这是不可理解的。但是在量子力学中，微观粒子的态叠加