彻头彻尾

上帝就是个彻头彻尾的赌徒

作者:闻西说科技 / 关注公众号:wenxi_tech  发布:2019-04-19

量子理论发展至今,很多人仍然对量子理论完全不懂,或者略知皮毛而已,比如知道了电子,光子,夸克的人,就已经很厉害了,至于什么海森堡不确定性原理,哥本哈根解释,薛定谔的猫就寥寥无几了。
我依然清楚的记得,高中物理学到了爱因斯坦的狭义相对论,广义相对论之后,我所知的物理学知识就一直止步不前了。
之所以会出现这种现状,我认为有两个原因:
第一,教育部的教材远远落后于理论发展的速度,量子理论早在100多年前的1900年就由普朗克提出来了,但高中物理教材仅仅提到了一些基本概念而已,更多的概念,如果你不阅读课外读物,根本不知道是什么,更别提理解了;
第二,国内应试教育更多的是注重分数,而不注重实际理解与认知,物理学发展到一定高度,更多的是哲学范畴,无论是理论物理还是实验物理,都更多的受到哲学思维的影响,而哲学思维与认知和方法论更相关,也就是说,理解和归纳更重要,但应试教育更多的是公式和死记硬背,何谈理解,连兴趣也失去了。
最早并没有物理学,更没有天文学,但很早就有哲学,还记得牛顿的划时代巨著《自然哲学的数学原理》吗?书名里面就有个哲学。还有古希腊的哲学,比如古希腊哲学家亚里士多德地位有多高,以及现在西方流行的PHD学位(很多科学家是哲学博士),你就知道哲学在西方的地位有多高。
闻西有幸得空略读一些物理学著作,比如霍金的《时间简史》,霍金的遗作《霍金十问》,迈克斯·泰格马克的《穿越平行宇宙》,傅渥成的《宇宙从何而来》,曹天元的《上帝掷骰子吗?量子史话物理》等,并经过一些胡思乱想,也有了一些感想,虽比不上大科学家,大哲学家的所思所想,但也愿意与大家分享。
比如,今天的论题“上帝掷骰子吗?”就是一个很久前就由爱因斯坦提出的一个哲学命题,所以今天要讨论的主题既是物理学命题,也是一个哲学命题。
上帝掷骰子吗?
“无论如何,我都确信,上帝不会掷骰子。”
当爱因斯坦说出这句话的时候,谁都没有想到,这句话对于后世的科学及社会影响有多大,无数人就“上帝是否会掷骰子”这个命题进行了不知多少次的探讨。
当然,闻西要探讨的重点不是“上帝”,而是“掷骰子”这个行为是否真的是世界万物的运行法则。
我们不妨以一个抛硬币的思想实验开始今天的话题吧。
1)单次抛硬币的结果
结果是随机的,有可能正面朝上,也有可能反面朝上;
2)10次抛硬币的结果
结果仍然可以说是随机的,有可能连续多次抛出正面朝上,使得结果是正面朝上的占80%,也有可能不连续的多次抛出反面,使得结果是反面朝上的占70%;
3)20次抛硬币的结果
正面朝上所占的次数,和反面朝上所占的次数,开始朝着缩小差距的方向发展;
4)100次抛硬币的结果
正面朝上的次数,和反面朝上的次数,开始接近,朝着各占50%的方向发展;
5)10000次抛硬币的结果
正面朝上的次数,和反面朝上的次数,分别逐渐逼近50%;
6)无限次抛硬币的结果
正面朝上的次数,和反面朝上的次数,无线接近于50%,但永远无法精确的等于50%,就像一个数永远无法达到无穷大一样;
上面抛硬币的思想实验,大家应该都很容易明白其中的道理,这其实就是我们常说的大数定律。
大数定律说的是:
在随机事件的大量重复出现中,往往呈现几乎必然的规律。通俗地说,这个定理就是,在试验不变的条件下,重复试验多次,随机事件的频率近似于它的概率。偶然中包含着某种必然。
但这个跟我们周遭确定的,遵循因果定律的物理世界有什么联系呢?
我们的世界是一种极限的近似
无论是你我这种具有生命气息的人类,还是千年静止不变的高山,都是由基本粒子组成。
可是量子理论却确切无疑的表明,单个粒子的状态始终是不确定的,无论是围绕在原子核周围的电子以一种类似于电子云的方式随机出现,还是光的波粒二象性,我们都无法准确的知道微观粒子在某个时刻某个空间点的确切运动状态,也即海森堡的不确定性原理:微观粒子的位置和动量,我们只可以知道其中的一个,无法同时获得。
但是像桌子,凳子,高山,人类,大树等这种宏观的物理对象,是由亿万个粒子组成,当大量的粒子聚集到一起时,即使单个的粒子存在不确定性,但由于大数定律的作用,也使得宏观的物体从偶然逐渐逼近必然,就这样,我们周遭的物理世界,从随机走向确定。
这不正和上面抛硬币的思想实验是一个道理吗?
所以自牛顿以来发现的经典世界定律,它到底是一个精确的确定,还是一个极限的近似?
有趣的是,我们可以从我们发现的宇宙中存在的物理常数中窥探这一问题的线索。
下表为目前我们发现的一些重要的物理常数:
物理量
符号
数值
单位
相对标准
不确定度
真空中光速
c
299792458
m/s
精确
牛顿引力常数
G
6.67428×10-11
m3/(Kg·s2)
1.0×10-4
阿伏加德罗常数
NA
6.02214179×1023
mol-1
5.0×10-8
普适摩尔气体常数
R
8.314472
J/(mol·K)
1.7×10-6
玻尔兹曼常数R/NA
k
1.3806504×10-23
J/K
1.7×10-6
理想气体摩尔体积
Vm
22.413996×10-3
m3/mol
1.7×10-6
基本电荷(元电荷)
e
1.602176487×10-19
C
2.5×10-8
原子质量常数
mu
1.660538782×10-27
Kg
5.0×10-8
电子质量
me
9.10938215×10-31
Kg
5.0×10-8
电子荷质比
-e/me
-1.758820150×1011
C/Kg
2.5×10-8
质子质量
mp
1.672621637×10-27
Kg
5.0×10-8
中子质量
mn
1.674927211×10-27
Kg
5.0×10-8
法拉第常数NAe
F
9.64853399×104
C/mol
2.5×10-8
真空电容率(电常数)
ε0
8.854187817×10-12
F/m
精确
真空磁导率(磁常数)
μ0
1.2566370614×10-6
H/m
精确
电子磁矩
μe
-9.28476377×10-24
J/T
2.5×10-8
质子磁矩
μp
1.410606662×10-26
J/T
2.6×10-8
玻尔半径
α0
5.2917720859×10-11
m
6.8×10-10
玻尔磁子
μB
9.27400915×10-24
J/T
2.5×10-8
核磁子
μN
5.05078324×10-27
J/T
2.5×10-8
普朗克常数
h
6.62606896×10-34
J·s
5.0×10-8
精细结构常数
α
7.2973525376×10-3
6.8×10-10
里德伯常数
R∞
1.0973731568527×107
m-1
6.6×10-12
康普顿波长h/mec
λc
2.4263102175×10-12
m
1.4×10-9
质子-电子质量比
mp/me
1836.15267247
4.3×10-10
静电力常量
k
9.0×109
N·m^2/C^2
精确
从以上物理常数中,我们可以看到,只有少数几个物理常数是精确的(比如光速),大部分的物理常量存在不确定度,也就是有误差的,比如牛顿引力常数,存在10的负4次方不确定度。
那么在这种情况下,存在不确定度的牛顿引力常数所关联的牛顿万有引力定律,就不可能是一个精确的确定了,下面是万有引力的公式,其中F是两个物体之间的引力,G是万有引力常数,m是物体1的质量,M是物体2的质量,r是两个物体之间的距离:
F=GmM/r^2
这一定律也叫引力的平方反比定律,即两个物体之间的引力与其之间的距离呈现平方反比的规律。
当然,能说明我们的宏观世界不是一个精确的确定,还有更多的理论支撑。
统计力学的诞生
最早将统计学用来研究物理的人叫路德维希·玻尔兹曼,就是下面这个大胡子。
将统计学应用到物理学中来,最初被科学家瞧不起,这一度让玻尔兹曼很是郁闷,加上他
与奥斯特瓦尔德之间发生的“原子论”和“唯能论”的争论,使得他一生都陷于与这些不同见解的斗争中,一定程度上损害了他的生理和心理健康。
当然最终玻尔兹曼以自杀的方式结束自己坎坷的一生,也与其个人性格有很大的关系,但不可否认,他在热力学第二定律方面立下了汗马功劳。通常人们认为他和麦克斯韦发现了气体动力学理论,他也被公认为统计力学的奠基者。
在玻尔兹曼时代,热力学理论并没有得到广泛的传播。
是玻尔兹曼最先指出,一切自发过程,总是从概率小的状态向概率大的状态变化,从有序向无序变化。
这一句话可以说至关重要,它其实就是热力学第二定律的理论基础。
热力学第二定律
热力学第二定律有几种表述方式:
克劳修斯表述:热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体,但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体;
开尔文-普朗克表述:不可能从单一热源吸取热量,并将这热量完全变为功,而不产生其他影响。
熵表述:随时间进行,一个孤立体系中的熵不会减小。
闻西要探讨的是克劳修斯表述,其他两种表述暂时不在此讨论。
克劳修斯表述的热力学第二定律说到了热量可以自发的从温度高的物体传递到温度更低的物体。
这里的关键点是:温度往往是从高往低传递,而且不能反过来且不影响周边的环境。
但这里有一个条件隐藏了,它说的是宏观世界。
那么微观世界呢?能不能反过来吗?
答案是:微观世界可以反过来。
麦克斯韦妖
为了说明微观世界里,我们做一个类似于麦克斯韦妖的思想实验。
假设有两拨气体分子,用挡板隔开,一个温度更高,一个温度更低,如果我们将隔板拿开,是哪边的气体分子先运动到对方的地盘去呢?
我们知道,气体分子是随机向各个方向运动的,而温度更高的气体分子,运动的更为激烈,但温度更低的气体分子,运动的更为温柔,不这么激烈。
此时,如果隔板打开,无论是温度高的气体分子,还是温度低的气体分子,都可以向对方的地盘渗透,因为气体分子是随机向各个方向运动的。
但由于气体温度更高的分子,运动更为激烈,在一定单位时间内,它向各个方向运动的频次更多,自然向气体温度更低的这个特定方向运动的频次也就更高。
由于存在大量的气体分子,最终表现出来的就是,热量从温度高的气体向温度低的气体转移,而不会逆转过来。
再一次的,微观的不确定性,经过大数定律,变成了宏观的确定定律,可能的事情变成了确定的事情。
但这个确定,是一个精确的确定吗?
当然不是,它仍然是一个极限的近似,除非气体分子真的可以有无限多,那么极限的近似就有可能无限逼近精确的确定。
但气体分子不可有无限多,宇宙的粒子数量是有限的,虽然我们数不清。
上帝就是那个赌场老板?
相信有些人有去过赌场的经历,无论是澳门赌场,还是拉斯维加斯的赌场,单个赌徒不可能永远赢,但为何赌场老板就能赚钱?
单个赌徒就像那个单独的粒子,投注的结果永远都是随机不确定的,他永远无法总是猜对投注的结果。
但赌场的老板,面对的是大量的赌客,就如那大量抛出的硬币,一定有大约50%的次数是正面朝上的,赌场的老板可以大致近似的得出他的赌场所需要的运作规律,从而赚钱。
如果把宇宙比作赌场,并假设上帝是存在的,那么所有的物理定律,都是他掷骰子掷出来的。
如果你想要量子力学的不确定性原理,他只需掷下一个骰子即可;
如果你想要牛顿及爱因斯坦的那种经典确定的物理定律,他就投下那数不清的骰子;
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