物理历史上着名的悖论 物理历史上着名的悖论

物理学史上一个著名的悖论。以下是边肖为每个人收集和出版的文本。让我们快速看一下它们。

薛定谔的猫是薛定谔在1935年提出的关于量子力学解释的悖论。

这只猫被密封在一个装有食物和毒药的密室里。

毒药瓶子上有一把锤子。锤子由电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。

如果原子核衰变，就会释放出α粒子，触动电子开关，锤子落下，毒瓶被砸碎，氰化物气体释放出来，猫就死了。

这个装置是薛定谔设计的，所以猫就叫薛定谔猫。

原子核的衰变是一个随机事件，所有物理学家能确切知道的就是半衰期——半衰变所需的时间。

如果一个放射性元素的半衰期是一天，那么这个元素在一天之后会减少一半，剩下的一半在另一天之后。

然而，物理学家无法知道它何时衰变，上午还是下午。

当然，物理学家知道它在上午或下午衰变的概率——也就是猫在上午或下午死亡的概率。

如果不打开密室的盖子，根据我们的日常经验，可以断定猫不是死了就是活了，这是它的两种内在状态。

但是，如果用薛定谔方程来描述薛定谔猫，只能说她处于生与死的叠加状态。

只有打开盖子的那一刻，我们才能确切地知道猫是活着还是死了。

而在打开盖子的瞬间，描述猫的状态的波函数立即从叠加态坍缩为内在态，即死态或活态。

根据量子论，如果不揭开盖子观察，我们永远不会知道猫是死是活，她永远处于死与活的叠加状态，俗称半死不活。

这与我们的日常经验严重相悖，不是死就是活，怎么能不死不活，半死不活呢？

不确定性原理:

测不准原理，也叫测不准原理，最早是海森堡在1927年提出的。它反映了微观粒子运动的基本规律，是物理学中的另一个重要原理。

海森堡在创立《矩阵力学》时，对可视化图像持否定态度。

但是，他的表达方式还是需要“坐标”、“速度”等词语。当然，这些词不再等同于经典理论中的词。

然而，我们应该如何理解这些词的新的物理意义呢？海森堡抓住了云室实验中观察电子轨迹的问题。

他试图用矩阵力学对电子轨迹进行数学描述，但失败了。

这让海森堡陷入了困境。

经过反复考虑，他意识到，关键在于电子轨道本身的制定问题。

人们看到的轨迹不是电子的真实轨道，而是水滴形成的雾气。水滴远比电子大，所以人们可能只观察到一系列电子的不确定位置，而不是电子的确切轨道。

因此，在量子力学中，一个电子只能在某个位置上具有一定的不确定性，同时也只能在某个速度上具有一定的不确定性。

这些不确定性可以限制到最小，但不能等于零。

这是海森堡对不确定性的初步思考。

根据海森堡晚年的回忆，爱因斯坦1926年的谈话启发了他。

爱因斯坦和海森堡在讨论是否可以考虑电子轨道时，质疑海森堡:“你真的相信只有可观测的量才应该进入物理理论吗？”海森堡回答说:“你不是这样对待相对论的吗？你强调过绝对时间是不允许的，只是因为绝对时间是不可观测的。”爱因斯坦承认了这一点，但他说:“一个人把他实际观察到的东西记在心里会很有启发...试图从原理上建立一个基于可观察量的理论是完全错误的。

事实上，恰恰相反，是理论决定了我们能观察到什么...只有理论，也就是只有关于自然规律的知识，才能使我们从感觉印象中推导出基本现象。"

海森堡在他1927年的论文开始时说:“如果有人想澄清‘物体的位置’这个短语的含义，那么他会描述一个可以测量‘电子位置’的实验，否则这个短语根本没有意义。”当海森堡谈到位置和动量，或者能量和时间等正则共轭量之间的不确定关系时，他说:“这种不确定性是量子力学中统计关系的根本原因。”

海森堡测不准原理通过一些实验得到了证明。

想象一下用γ射线显微镜观察一个电子的坐标，因为γ射线显微镜的分辨能力受波长λ的限制。所用光的波长λ越短，显微镜的分辨率越高，所以测量电子坐标△q的不确定度越小，所以△q∑λ。

另一方面，当光照射电子时，可以认为是光量子与电子的碰撞。波长λ越短，光量子动量越大，所以存在△p∝1/λ。

经过一番推理计算，海森堡得到:△ q △ p = h/4π。

海森堡写道:“在位置确定的瞬间，也就是光子被电子偏转的瞬间，电子的动量不连续变化。因此，在已知电子位置的瞬间，我们只能知道它的不连续变化对应的动量的大小。

所以位置越准动量越不准，反之亦然。"

海森堡还通过对斯特恩-加拉格尔实验测定原子磁矩的分析证明了原子通过偏转的时间△T越长，能量测量的不确定度△E越小。

再加上德布罗意关系λ = h/p，海森堡得到了△ e △ t

海森堡的测不准原理得到玻尔的支持，但玻尔不同意他的推理方法，认为他用来建立测不准关系的基本概念有问题。

双方一直在激烈争论。

玻尔的观点是不确定关系的基础在于波粒二象性。他说:“这是问题的核心。”海森堡说:“我们有一致的数学推理方式，它告诉人们我们观察到的一切。

自然界中没有什么东西是不能用这种数学推理方式来描述的。玻尔说:“一个完整的物理解释应该绝对高于数学形式系统。”

玻尔更注重哲学上的考量。

1927年，玻尔发表了《量子假说与原子理论新进展》的演讲，提出了著名的互补原理。

他指出，在物理理论中，人们通常认为可以在不干扰物体的情况下观察物体，但从量子理论的角度来看是不可能的，因为任何对原子系统的观察都会涉及到被观察物体在观察过程中发生了变化，所以不可能有单一的定义，通常所谓的因果关系也就不复存在了。

与经典理论互斥的不同性质，成为量子理论中互补的方面。

波粒二象性是互补性的重要表现。

量子力学的测不准原理等结论也可以在这里说明。

孪生悖论:

爱因斯坦提出了著名的相对论，即时间可以改变。不久之后，天才用双胞胎的悖论来指责它。虽然这个悖论早就被证伪了，但我们还是可以窥见天才与常识相悖的想法。:假设一对双胞胎出生在地球上，一个孩子留在地球上，另一个孩子以接近光速的速度乘坐宇宙飞船离开地球。当地球上的孩子长到二十岁时，飞船以同样的速度返回，当地球上的孩子四十岁时，飞船安全到达。如果我们认为时间在接近光速时会变得更慢，那么大多数人会认为以光速离开地球的孩子更年轻。然而，当宇宙飞船以光速离开地球时，我们也可以认为宇宙飞船是静止的，地球以光速离开宇宙飞船。现在大多数人一定认为地球上的孩子更年轻！谁更年轻？当然，答案很简单。把两个孩子放在一起比较一下就行了。不要告诉大家这两个孩子一样小！那么爱因斯坦的灵魂会不安...

麦克斯韦妖:

麦克斯韦妖(Maxwell demon)是一种假想的“人形怪物”，可以探测和控制单个分子的运动，或者是物理学中具有相同功能的机制。它是由19世纪的英国物理学家麦克斯韦在1871年构思的，用来解释违反热力学第二定律的可能性。

当时，麦克斯韦意识到自然界中存在一种与熵增加对立的能量控制机制。

但他无法解释清楚这个机制。

他只能幽默地假设一种“恶魔”，能把随机热运动粒子按照一定的顺序和规则分配到某一个相。

麦克斯韦妖是耗散结构的雏形

19世纪初，许多人沉迷于制造一种神秘的机器——第一种永动机，因为这种思想中的机器只需要一个初始力就可以工作，然后不再需要任何动力和燃料，而是可以自动连续地工作。

在热力学第一定律提出之前，人们一直在讨论制造永动机的可能性。

直到发现热力学第一定律，第一种永动机的神话才崩溃。

热力学第一定律是能量守恒和转化定律在热力学中的具体体现，表明热量是物质运动的一种形式。

这说明从外界传递到物质系统的能量等于系统内能的增加和系统外功的增加之和。

它否认能量是凭空产生的，所以第一种不用动力和燃料就能做功的永动机就成了幻想。

热力学第一定律是这样产生的:18世纪末19世纪初，随着蒸汽机在生产中的广泛应用，人们越来越重视热和功的转换。

于是，热力学应运而生。

1798年，汤普森通过实验否定了热质的存在。

1841年德国医生、物理学家迈耶？843年提出热与机械运动相互转化的观点，这是首次提出热力学第一定律。

焦耳设计实验测量热量的电热当量和机械当量，通过实验确定热力学第一定律，补充了迈耶的论点。

热力学第一定律之后，人们开始考虑热能转化为功的效率。

这时，有人设计了一种可以无限地从一个热源中取热做功的机器。

这叫第二类永动机。

1824年，法国陆军工程师卡诺构思出一种理想的热机，既不对外工作，也不产生摩擦。

通过研究这种热机中两个不同温度的热源之间热量和功的简单循环，得出热机必须在两个热源之间工作，其效率只取决于热源之间的温差，即使在理想条件下热机的效率也不可能达到100%。

即热量不能完全转化为功。

1850年，克劳修斯在卡诺的基础上统一了能量守恒和转化定律以及卡诺原理，指出自动机不可能在不发生任何变化的情况下将热量从低温物体转移到高温物体，这就是热力学第二定律。

很快，开尔文提出，不可能从单一热源取热，在没有其他作用的情况下变成有用的功；或者不可能用无生命的机器把物质的任何部分冷却到低于最低环境温度的温度，从而获得机械功。

这是热力学第二定律的开尔文表达式。

奥斯特瓦尔德表示，第二种永动机无法成功制造。

克劳修斯在提出第二定律的同时，还提出了熵S=Q/T的概念，并将热力学第二定律表述为:在一个孤立的系统中，实际过程总是增加整个系统的熵。

但之后克劳修斯错误地将孤立系统熵增定律推广到整个宇宙，认为整个宇宙的热量从高温到低温不断变化，直到某一刻没有温差，宇宙的总熵达到最大。

这时就不会再有传递热量的动力，这就是所谓的“热死论”。

为了反驳“热死论”，麦克斯韦构思了一个无影无形的精灵，它位于一个盒子里的一个门的边缘，允许快粒子通过门到达盒子的一边，同时允许慢粒子通过门到达盒子的另一边。

就这样，过了一段时间，盒子的两边就有了温差。

麦克斯韦妖其实是耗散结构的雏形。

1877年玻尔兹曼发现了系统宏观熵与热力学概率的关系，S=KlnQ，其中k为玻尔兹曼常数。

1906年，能斯特提出当温度接近绝对零度T→0时△S/O = 0，这就是所谓的“能斯特热原理”。

普朗克在能斯特研究的基础上，利用统计理论指出各种物质的完美晶体的熵在绝对零度为零，这是热力学第三定律。

热力学三定律统称为热力学基本定律。从那时起，热力学的基础就完全被质疑了

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