物理学十分注重实验,最初的物理学理论就是从实验中总结而来的 。任何物理理论创立之后,都需要经过实验的反复验证 。爱因斯坦的相对论提出百年之后,至今还在接受一系列严苛实验的检验 。
不过,有些实验在现实中很难实现,所以物理学家提出了思想实验,包括爱因斯坦、牛顿在内的很多大物理学家都有提出过 。
虽然只是思想上的实验,但它们引发人深省,并推动了物理学的发展 。在这些思想实验中,有四个的名称与动物有关,它们被冠以物理学“四大神兽” 。
(1)芝诺的乌龟
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这是最早的“神兽”,由2480年前的古希腊哲学家芝诺提出,它又被称为芝诺悖论 。试想一下,一个人以10米/秒的速度奔跑,一只乌龟以1米/秒的速度爬行 。一开始,乌龟比人领先了100米,那么,人在什么时候会追上乌龟?
这个问题看似是一个简单的追及问题,只要人的跑动距离等于乌龟的领先距离加上乌龟的爬行距离,就能算出人会在出发后第11.11…(100/9)秒追上乌龟 。
然而,如果换个角度来看,结果会完全不一样 。
第1秒,人跑了10米,乌龟领先人91米;第5秒,人跑了50米,乌龟领先人55米;第10秒,人跑了100米,乌龟领先人10米;第11秒,人跑了110米,乌龟领先人1米;第11.1秒,人跑了111米,乌龟领先人0.1米 。
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如果空间能够无限分割,乌龟和人之间的距离包含了无限多个点 。因此,乌龟可以一直在人的前面,尽管只领先了一点 。那么,这是否意味着人永远也走不完无限多个点来追上乌龟呢?
其实不然 。乌龟一开始领先人100米,人跑动100米所需的时间为:
100/10秒=10秒
在这10秒期间,乌龟爬行的距离为:
10×1米=10米
这是10秒后乌龟领先人的距离,人再去追上这10米所需的时间为:
10/10秒=1秒
在这1秒期间,乌龟爬行的距离为:
1×1米=1米
这是1秒后乌龟领先人的距离,人再去追上这1米所需的时间为:
1/10秒=0.1秒
如此无限反复下去,人追上乌龟的时间为:
10 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 …秒=11.11…秒,也就是100/9秒,所以人可以在有限时间内追上乌龟 。
(2)薛定谔的猫
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根据量子力学的哥本哈根诠释,在没有进行观测时,量子系统是处于不确定的叠加态 。一旦进行观测,波函数坍缩,不确定性消失,量子系统将会变成一种确定的状态 。这样的描述与我们的常识大相径庭,而且还会影响宏观世界 。
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