物理学经典悖论分析 本文关键词：悖论，物理学，经典，分析
物理学经典悖论分析 本文简介：【摘要】悖论的产生和消灭的过程，见证了人类的思考。从同一个命题或假设出发，沿着不同的方向推理，却能得到两个截然不同的结论，并且每一个结论都似乎可以得到完美的解释。在科学的发展过程中，对于悖论的证伪是不可或缺的一环。这个过程充满对眼前古怪结论的迷茫与对科学真理的不断追求。本篇论文将通过对物理学中四个以
物理学经典悖论分析 本文内容：
【摘要】悖论的产生和消灭的过程，见证了人类的思考。从同一个命题或假设出发，沿着不同的方向推理，却能得到两个截然不同的结论，并且每一个结论都似乎可以得到完美的解释。在科学的发展过程中，对于悖论的证伪是不可或缺的一环。这个过程充满对眼前古怪结论的迷茫与对科学真理的不断追求。本篇论文将通过对物理学中四个以动物命名的经典悖论出发，思考悖论背后所蕴含的科学道理与哲学思考。
【关键词】芝诺的乌龟；拉普拉斯妖；薛定谔的猫；麦克斯韦妖
物理学发展至今，已建立了许多牢固的科学大厦，但在这些科学大厦的建立过程中，却出现了一些几乎具有毁灭性打击的悖论，不解决这些悖论，这些科学大厦就时刻面临倒塌的风险。这其中，有四个以动物命名的物理学中的经典悖论，它们分别是芝诺的乌龟、拉普拉斯妖、薛定谔的猫和麦克斯韦妖，它们涉及到了物理中的运动学、热学和量子力学等，对这些悖论的研究和思考，有助于我们更深刻的理解相关的物理内容。
一、芝诺的乌龟
阿喀琉斯是古希腊神话中的著名英雄，以善跑而闻名于世。但却有人说他永远也追不上他前面的乌龟。假设乌龟在他前面1000米处，他以10m/s的速度追击乌龟，乌龟只有他十分之一的速度，也就是1m/s。当阿喀琉斯追到1000米时，乌龟又向前爬了100米，因此他需要再继续向前追击乌龟，当他又跑了100米时，乌龟却又向前爬了10米，如此周而复始，阿喀琉斯只能达到乌龟旧的出发点，却永远也不能真正的追上乌龟。这个故事似乎告诉我们两个有距离的物体，即使前进方向相同，并且后面的物体的速度大于前面的物体，前面的物体却永远无法被追上。但在现实生活中，这个说法显然是不成立的，否则就没有了各大竞速比赛。利用最基本的运动学公式便可计算出追击所用时间，追击时间=相距路程/速度差=10009s。但在这个证明过程中我们首先假设了阿喀琉斯一定可以追上乌龟，然后才计算出了追击时间，但根据悖论的内容，阿喀琉斯是追不上乌龟的，因此为了彻底解决这个悖论，我们需要使用无穷级数求和的思想。我们在之前假设了阿喀琉斯的速度为10m/s，乌龟1m/s，他们相距1000m。阿喀琉斯第一次跑到乌龟的起点用时100s，第二次用时10s，第三次用时1s，如此循环，阿喀琉斯距离乌龟的起点越来越近，所用时越来越短，最终阿喀琉斯‘无限接近’乌龟的起点，也就追上了乌龟，而这个过程用时这与用运动学公式计算出的答案一致，也就是阿喀琉斯可以在有限的时间内追上乌龟，这个悖论因此得以直接解决。这个悖论解决的关键是阿喀琉斯追上乌龟似乎需要无穷多个“步骤”，但这无穷多个步骤是可以在有限的时间内完成的。
二、拉普拉斯妖
拉普拉斯妖[1]是拉普拉斯于1814年提出的一个假说，当时牛顿力学刚刚建立并取得了惊人的成就。因此他就提出，如果一个智者可以知道宇宙中所有粒子的位置和运动速度以及它们之间的相互作用力方式，那它就可以从牛顿方程出发，得到这个宇宙中所有粒子在以后任意时刻的位置和速度，也就是说，整个宇宙的命运在一开始就是确定了的。牛顿力学的出现给古典的机械决定论提供了科学基础。早在古希腊时代，德谟克利特就提出，“一切都遵照必然而产生”，这形成了古代世界中最早的机械观，一种万物遵从必然性而否定偶然性的唯物主义宇宙图景。在古希腊神话中也体现出“命运”的观念，《荷马史诗》中，宙斯也无法改变其子萨尔帕冬在特洛伊战争中战死的命运。无论是原子论的哲学思想还是神话与悲剧，都能体现出一种决定论倾向，即万物皆有定数。从牛顿力学出发，我们不能反驳这个假说，但量子力学的出现，使得拉普拉斯妖假说不攻自破。因为根据量子力学的观点，要完全描述一个粒子需要知道它的波函数，当我们试图获知它的位置时，它将依概率坍塌到随机位置。也就是粒子的位置信息在测量之前是完全不确定的，那么机械决定论也就无从谈起了。但随之而来的却是量子决定论的观点，如果将整个宇宙视为一个大的波函数，那么这个波函数的演化过程从宇宙诞生之初就是确定的了，这就是量子决定论的观点，量子决定论目前还没有一个让所有人都信服的解释。
三、薛定谔的猫
薛定谔的猫是一只神奇的猫，因为它既是死的也是活的。薛定谔假想，把一只猫放进一个封闭的盒子里，盒子里放置一个放射性原子、盖革计数器和毒气释放装置。这个放射性原子有一定的概率会从激发态跃迁到基态，其跃迁时将会放出一个粒子，这个粒子会被探测器探测到进而触发毒气装置将猫毒死。这就意味猫将会处于一个死态与活态的叠加，这是很难接受的一个观点。当我们将量子力学应用于微观世界时，认为一个粒子处于基态和激发态的叠加态并无问题，但当微观世界和宏观世界结合起来时，却似乎遇到了一些问题，我们很难接受一个处于死活叠加态的猫。薛定谔之所以设计这个假想实验，是为了反驳哥本哈根学派对量子叠加和量子测量的解释，证实量子力学在宏观层面是不完整的。但严格来讲，薛定谔的猫有其不完善之处，当粒子处于叠加态时，要求环境足够的纯净，也就是环境的干扰要尽可能的小，猫作为一个巨大的宏观物体，其本身就可视为一个复杂的大环境，不断的对放射性原子进行着观察，从而使得粒子处于混合态而非叠加态。人们在实验室中也真正的制备出了介观物质（介于宏观物质和微观物质之间的物质，其包含几千个粒子）的猫态。此外，哥本哈根诠释对量子测量的解读也得到了目前主流学术派的认可。
四、麦克斯韦妖
麦克斯韦妖[2]是麦克斯韦提出的一个用于反驳热力学第二定律的悖论。在这个悖论中，假设有一个小妖，他守着两个处于热平衡态的系统交界处的小孔。我们知道，即使系统温度处处相同，但粒子的运动速度却不尽相同，有运动速度快的，有运动速度慢的，如果小妖设定一个阈值，使得B中飞向小孔的速度小于阈值的粒子和A中飞向小孔的速度大于阈值的粒子通过。很长一段时间过后，B的温度将显著高于A。而热力学第二定律表明，孤立系统的熵永不减少，这个有着麦克斯韦妖的系统显然违背了这一定律。因此麦克斯韦认为热力学第二定律只在具有大量粒子数的大系统中有效，而对于小系统无效。根据热力学第二定律的表述，孤立系统的熵永不减小。我们发现定律中有“孤立系统”的说法，反观麦克斯韦妖，它似乎也处于一个孤立系统，但是如果仔细分析就会发现其实这个系统并非一个孤立系统。麦克斯韦妖要想把快分子和慢分子分开，那么就需要先判断分子的状态，就必须要得到分子的信息，信息是数据处理的结果，那么为了获得信息就必须输入能量，那么也就不是“孤立系统”了，麦克斯韦妖便得到证伪。
结束语
悖论是人类思考过程中神奇的产物，在科学进程中，人类提出理论，为其论证，对其质疑。在悖论证伪的过程中，人类不断完善理论的不足，逻辑的漏洞，将客观世界进行越来越精确的定义，建立起人类的科学观、世界观。悖论的产生本是曼妙的，而解决悖论的过程是奇幻的，了解错误，发掘本质。作为大千世界的一个微小的观察者，理解世界的存在，思考自己存
在的意义，在看似无序却有其内在规则的世界里前行。
参考文献：
[1]管寿沧.找到了宇宙运动最高原则的智者———“拉普拉斯妖”随笔之二[J].物理通报,2008(7):50-53.
[2]王琦,刘桂玲.熵、麦克斯韦妖与生命[J].物理与工程,2004(6):23-25.
作者：苟良洲 单位：成都七中嘉祥外国语学校
物理学经典悖论分析 来源：网络整理
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