社区2023公共基础知识科技常识：物理学四大神兽

人类在科学发展史中，有过很多著名的思维实验。这些思维实验都是在现实中无法做到的。例如爱因斯坦有关相对运动的著名思想实验，思想实验需求的是想象力，而不是感官。此外，著名的思维实验还有传说中的物理学四大神兽。

【试题练习】(单选)1.为了批驳热力学第二定律。有科学家构思了一个可以自动形成温差，从而制作第二类永动机的思维实验，这个思维实验是：

A. 拉普拉斯妖 B.薛定谔的猫 C.麦克斯韦妖 D.芝诺乌龟

【中公答案】C。

【解析】1871年由19世纪英国物理学家麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性，而设想的一个思维实验，他设想了一个无影无形的小妖精，它处在一个盒子中的一道闸门边，它允许速度快的微粒通过闸门到达盒子的一边，而不允许速度慢的微粒通过闸门到达盒子的另一边。这样，一段时间后，盒子两边产生温差。故本题答案选C。

【知识拓展】：

一、薛定谔的猫

根据量子力学理论，物质在微观尺度上存在两种完全相反状态并存的奇特状况，这被称为有效的相干叠加态。为了描述量子的相干性，薛定谔提出了一个思维实验。

在一个盒子里有一只猫，以及少量放射性物质。之后，有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫，同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

这个时候，观测还未发生，盒子里的物质是，既衰变又没有衰变的。那么这个盒子就是一个既有毒又没毒的状态。所以猫也是既生又死，不生不死的状态。

听起来很奇怪对吧?这项实验就是在说明量子力学对微观粒子世界超乎常理的认识和理解，用猫这一宏观的事物作为比喻来描述微观，猫既活又死违背了逻辑思维。所以也被称为物理学四大神兽之一。

二、拉普拉斯妖

1814年法国数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯提出一个假设，假设有一个妖魔，知道宇宙中每个原子确切的位置和动量，那么它就能够使用牛顿定律来展现宇宙事件的整个过程，不论是过去还是未来。

拉普拉斯认为，可以把宇宙现在的状态视为其过去的果以及未来的因。如果一个超然的人，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。那么对于这个人来说，任何东西会如何发展，都会清清楚楚，而未来只会像过去般出现在他面前。

三、麦克斯韦妖

人类一直都有制作永动机的梦想。其中不需要消耗任何能量的称为第一类永动机，已被证实为不可能实现。此外还有一种第二类永动机。第二类永动机的原理是吸收消耗的热量作为能源，不停的做功就会不停的释放热量，释放的热量如果被回收就可以不停的提供能量。

第二类永动机的构想，就需要有温度差的热源。一旦有温度差，按照热力学第二定律，就可以产生能量。但是随着第二定律发挥作用，温度差会逐渐减小，当温度差消失，就无法再做功。

所以如何保持温度差就很重要。1871年，麦克斯韦提出了“麦克斯韦妖”。

一个绝热容器被分成相等的两格，中间是由一种机制控制的一扇活板门，容器中的空气分子做无规则热运动时会撞击门，麦克斯韦妖控制着门，将速度较快的分子(温度较高)放入其中一格，将速度较慢的分子(温度较低)放入另一格，这样，两格的温度就会一高一低。

四、芝诺的乌龟

芝诺的乌龟也叫芝诺悖论，是古希腊数学家芝诺提出的一系列关于运动的不可分性的哲学悖论。

假设一个人从A点走到B点，要先走完路程的1/2，再走完剩下总路程的1/2，再走完剩下的1/2……如此循环下去，永远不能到终点。因为永远有走不完的1/2的路程。