科学殿堂里的七大神兽

2020-10-09罗金海

飞碟探索 2020年2期

罗金海

学习知识要善于思考，思考，再思考。我就是靠这个方法成为科学家的。

——爱因斯坦

科学圣殿里有七大神兽：芝诺的乌龟、拉普拉斯兽、巴甫洛夫的狗、麦克斯韦妖、莎士比亚的猴子、薛定谔的猫和洛伦兹的蝴蝶。分别对应着微积分、经典力学、生物学、热力学第二定律、概率论、量子力学和混沌学。

这七大神兽独霸一方，各擅胜场：芝诺的乌龟时空双修能缩地成寸，拉普拉斯兽明察大道推演万物，巴甫洛夫的狗能瞬时响应抗拒理性，麦克斯韦妖操控万物逆转阴阳，莎士比亚的猴子在时空光锥创造无限可能，薛定谔的猫能制造宇宙超越轮回，洛伦兹的蝴蝶能以四两之力扰乱乾坤。

这七大神兽亦正亦邪，相互之间各有恩怨，例如洛伦兹的蝴蝶和拉普拉斯兽就是天生的死对头。这些神兽有时给科学圣殿带来难以理解的困擾，有时也给那些天才的科学家指明方向和道路。

1芝诺的乌龟

出生日期：公元前464年

主人：芝诺

门派：先贤哲学

能力：缩地成寸

公元前464年，物理帝国的世纪运动竞技赛开幕，芝诺之龟与海神之子阿喀琉斯赛跑。阿喀琉斯体格健壮，肌肉饱满，四肢遒劲有力。芝诺之龟短小精悍，豆眼如炬，龟甲结实笨重。芝诺之龟以身体劣势为由，申请提前奔跑100米。阿喀琉斯深知自己的速度乃是芝诺之龟的10倍，便毫不犹豫地答应了。

比赛开始，当阿喀琉斯追到100米时，乌龟已经向前爬了10米;阿喀琉斯继续追，而当他追完乌龟爬的10米时，乌龟又已经向前爬了1米;阿喀琉斯只能再追向前面的1米，可乌龟又已经向前爬了1/10米。就这样，芝诺之龟总能与阿喀琉斯保持一个距离，不管这个距离有多小，但只要乌龟不停地奋力向前爬，阿喀琉斯就永远也追不上乌龟。

尽管阿喀琉斯是神话中的英雄，但最终还是败在芝诺之龟的四条小短腿之下，芝诺之龟从此声名鹊起，无人匹敌。不仅在古希腊，在智者云集的古老东方，同样也对这只乌龟无可奈何。《庄子·杂篇·天下》中提到，“一尺之捶，日取其半，万世不竭”，其实也是这只乌龟施展的“魔法”。

在现实世界中，这芝诺的乌龟蛮不讲理，因为随便拉来一只乌龟，无论它跑多远，6岁小儿都追得上它。而且，随便建一个简单的方程，还能求解出阿喀琉斯追上芝诺之龟的时间。

可科学世界不一样，万事万物都需要严密的逻辑推理和数学证明才能令人信服。然而，从毕达哥拉斯到欧拉，数学大神们却无一人能破解这一数学之秘。这只蛮不讲理的芝诺之龟，以神兽姿态定居物理帝国2000年。

整整2000年后，数学巨匠莱布尼茨与科学巨匠牛顿隔空修炼“微积分”，用微积分中的“极限”法门攻破了时空连续性，这才让大英雄阿喀琉斯在物理帝国的竞技场上，追上了芝诺之龟。然而，人类对这只千年老龟依然耿耿于怀，从哲学到前沿物理学，研究者们还是常常拿它吵架。

2拉普拉斯兽

出生日期：1814年

主人：拉普拉斯

门派：经典力学

能力：善推演，知万物

19世纪初，整个物理世界晴空万里，牛顿为万物揭示光明，匍匐在老爵爷门下的拉普拉斯宣称，当下的客观世界是过去的果和未来的因。他认为这世间存在一种“神兽”，它神通广大、无所不知，只要它愿意动动手指和眼睛，记录下某一刻宇宙中每个原子确切的位置和动量，就能用牛顿的简洁公式，瞬间算出宇宙的过去与未来。这就是大名鼎鼎的谛听神兽拉普拉斯——善推演，知万物。

拉普拉斯的基本理论是：了解物质前一刻的运动状态，就可以推演出下一刻的运动状态;而确定整个宇宙中每一个粒子的运动状态后，就可以推演出下一刻的宇宙了。

拉普拉斯是经典力学在19世纪最厉害的马前卒，他吸纳毕达哥拉斯“万物皆数”之力，结合天体力学、概率论等思想精华，创造了宏观经典力学的守护神兽拉普拉斯兽。沉睡在威斯敏斯特大教堂里的祖师爷牛顿高兴得合不拢嘴，因为，这说明自己亲手建立的经典物理学帝国坚不可摧，无所不能。

大部分的人类却没有这么高兴，如果人类的所有命运都已经被拉普拉斯妖算得清清楚楚，那我们还有什么活头？必须得早点消灭它才行。不出100年，热力学和量子力学等新理论对其万箭齐发，以物理学家开尔文、量子力学的海森堡为代表展开联手围剿，这只无所不能的拉普拉斯妖最终一命呜呼，和前面那只千年老龟相比，可以算是夭折在了襁褓里。

19世纪，建立在不可逆基础。上的热力学大行其道，这让以可逆性作为理论基石的拉普拉斯妖元气大伤。20世纪，困扰人类长达百年的双缝干涉实验成功证明因果律在微观世界彻底失效，而海森堡的不确定性原理也说明，再厉害的神兽也无法看清微观世界的全部面貌。

更悲伤的是，即使拉普拉斯妖已经彻底死掉，不厚道的人类也不愿给这个短命的神兽留下最后的尊严。因为，由宇宙最大熵、光速以及将信息传送通过一个普朗克长度所需要的时间共同计算得出，拉普拉斯妖的算力上限已被证实约为100比特，可以看出，这惊人的算力显然根本不可能在物理帝国存在。

巴甫洛夫的狗

出生日期：1849年

主人：巴甫洛夫

门派：生物学

能力：瞬时反射

171年前，巴甫洛夫用食物、蜂鸣器和几条狗做实验。正常情况下，狗见到食物就会分泌唾液，听到铃声却没有任何反应。但在巴甫洛夫的设计下，狗在每次获得喂食前，都有一个蜂鸣器响起，久而久之，这个声响便有了意义，那是食物来了的信号。在这之后，即使没有食物，这只好吃的狗狗也会一听到铃声，就忍不住哗啦啦流口水。蜂鸣器的响声成了它快乐的源泉，就像我们听到“您有一条新短消息”，就释放出快乐的多巴胺。

实验表明：原本并不能引起某种本能反射的中性刺激物（铃声、红灯等），如果它总是伴随某个能引起该本能反射的刺激物出现，经多次重复后，这个中性刺激物就也能引起这种本能反射了，这就是经典性条件反射。

原来一个人的反应可以不经大脑思考，而以意识世界先入为主，抗拒逻辑思辨。虽然是生物学实验，但这为人类社会开辟了一条通往认知学的道路。

单身工科男从实验中开窍，悟出了史上最强追求大法。具体方法是每天给心仪的女同学买早餐，坚持一两个月并且缄默不语。当女同学已经对你每天的早餐习以为常时，突然停止送餐，她心中一定会产生深深的疑惑，同时会满怀兴趣与好奇地找你询问，这时你便可以一鼓作气倾吐自己的爱慕之情，顺理成章地追求成功。所以巴甫洛夫的狗又被称为“巴甫洛夫的单身狗”。

当然这也并不全是好事，二战时，德国法西斯解读了巴甫洛夫的条件反射理论，通过教育、洗脑等手段控制人民的思想，给世界带来巨大的灾难。

而今天的我们似乎已经臣服于科技、娱乐操控下的“条件反射”。一听到新消息的送达声，就立即拿起手机;一看到微信界面的红点提示，就忍不住马上动手点开。这不就是巴甫洛夫当年一手驯化，而后名扬天下的巴甫洛夫的狗吗？

麦克斯韦妖

出生日期：1871年

主人：麦克斯韦

门派：热力学

能力：逆转时空

早在公元1200年，数以千计的科学家痴迷于永动机不能自拔。到了19世纪，热力学蓬勃发展，各类永动机被一否定。这时候，让爱因斯坦都崇拜不已的电磁学大牛麦克斯韦，创造了物理学史上的又一大神兽麦克斯韦妖。如果这神兽真的存在，或许创立永动机就不是痴人说梦了，走向熵寂的宇宙也会有起死回生的可能。

麦克斯韦妖，是由麦克斯韦假想出来的妖，它能探测并控制单个分子运动。麦克斯韦意识到自然界存在着与熵增相拮抗的能量控制机制，但无法清晰地说明这种机制，只能诙谐地假定一种“妖”。简单描述就是：一个绝热容器被分成相等的两格，中间是由“妖”控制的一扇小“门”，麦克斯韦妖个头迷你，没啥特别的本事，但眼神好，反应敏捷，能准确地探测并控制单个分子运动，迅速把快速运动的分子从左盒丢进右盒，把慢速运动的分子从右盒丢进左盒。因此，这个小盒子不仅形成了左右部分的温差，还实现了熵的自发减少。

尽管人们希望这只带领宇宙违背热力学第二定律的麦氏小妖真的存在，但在纪律森严的物理帝国，心地单纯的麦氏小妖同样命途多舛，它困扰科学家近150年，至今仍不知是死是活。20世纪50年代，信息熵的概念被提出。麦克斯韦妖若要实现热力学上的熵减，势必需要获取分子运动的信息，想不耗损能量而获得信息是不可能的，因此，在孤立系统中麦克斯韦妖不可能存在。这只小妖精可能只是人类想象中的救世主，并不存活于世。

不过，自从信息论在热力学这儿插了一脚后，麦克斯韦妖的存亡之战便愈加精彩了。有人通过“信息擒纵阀”使系统逐渐远离平衡态，发现了人造麦克斯韦妖，不过这种学说没有得到大众认可。

得到更多人认可的是薛定谔在科学经典《生命是什么》一书中提出的观点：生命就是一种熵减。也就是说，人就是妖，妖就是人。

麦克斯韦妖是科学家眼中真正的救世主，如果它真的存在，那么老人便可以华发变成黑发，宇宙更是能从熵寂走向重生。

莎士比亚的猴子

出生日期：1909年

主人：E.波莱尔

门派：概率学

能力：无限可能

16世纪文艺复兴时期，莎士比亚在《哈姆雷特》中喊出“人是万物的灵长，宇宙的精华”，我们于是找到了生而为人前所未有的价值和尊严，莎翁的“四大悲剧”更是被人们奉若圭臬。

但在科学殿堂，数学却以精密的计算将这种骄傲击得粉碎，莎士比亚的猴子像从石头缝里蹦出的孙悟空，颠覆了人类的三观。

1909年，E.波莱尔在一本谈概率的书中提出了无限猴子定理，该定理认为：如果无数多的猴子在无数多的打字机上随机打字，并持续无限久的时间，那么在某个时候，它们必然会打出莎士比亚的全部著作。

严谨的数理逻辑证明让这个推断看似铁板钉钉，现实中人们却嗤笑这是天方夜谭。2003年，一家英国动物园的科学家“试验”了无限猴子定理，他们把一台电脑和一个键盘放进灵长类动物园区。可惜的是，猴子们并没有打出什么十四行诗，打出的只是5页几乎完全是“S"的纸。

莎士比亚的猴子犹如跳梁小丑被狠狠地打入地牢，然而这个身怀“无限可能”绝技的神兽，其实一直在冷漠地注视着愚蠢的人类。

诞生100年后，在谷歌Al系统的机器学习代码中，莎士比亚的猴子终于展露神迹。尽管谷歌并未让一只猴子敲键盘打造出莎士比亚的著作，但被视为莎士比亚猴子的Al已经能够写出诗歌了。

这让骄傲的人类瑟瑟发抖，开始重新思考自我，重新审视这只可以创造无限可能的莎士比亚的猴子。

拥有智慧和情感是人类生而为人的骄傲，在体内多巴胺的化学作用下，绚丽的诗句诞生于灵动的字符之中，我们一直认为这是独属于人类的文明结晶，但在概率论的逻辑中，这一切只是猴子们的一个随机动作。

6薛定谔之猫

出生日期：1935年

主人：薛定谔

门派：量子力学

能力：超越生死

20世纪，物理帝国妖风四起。一个毫无杀伤力但又难缠的神兽伴随量子力学空降人间，这只神兽诞生于史，上最风流的物理学家薛定谔之手，于是名日薛定谔之猫。

相比其他神通广大的神兽们，薛定谔之猫命运最悲摧，它既不能享受吞拿鱼味儿的猫罐头，也没有猫奴给它献殷勤，自始至终，它都活在物理帝国的刑场上，在生死之间徘徊。这个刑场是个密室，刑具是锤子和毒药瓶，锤子由电子开关控制，而电子开关又由放射性原子控制。如果原子核衰变，则会释放出阿尔法粒子，触动电子开关，猫必死无疑。不过，原子核的衰变是随机事件。尽管人们能精确地知道原子核衰變的概率，却无法判断它具体何时衰变。所以，人们也就无法得知猫具体何时死亡。打开密室前，这猫要么活着，要么死去。

事情却没这么简单，因为，这只悲摧的猫被赋予了量子世界的特异功能——量子叠加，在这只猫身上，宏观世界的因果规律已坍塌，只剩下一连串的概率波。所以，在被观测之前，这猫是既死又生、生死叠加的状态。

薛定谔创造这只神兽本来仅是为了方便人们从宏观尺度理解量子物理，但它很快成了大家的噩梦，各类解说和研究纷至沓来。1957年，埃弗莱特用“多世界理论”给这只猫找到了归宿。他认为，问题并不在于盒子中的放射性原子是否衰变，薛定谔之猫在它被观测的那一刻，世界就分裂成了两个版本，在A版本中，猫活着，而在B版本中，猫死去。“多世界理论”非常优美，却被量子力学头号教派哥本哈根派极力打压，所以，这只可怜的猫咪，依旧游荡在非人间、非地狱的灰色空间。

行走于生死边界的猫从未见过，科学家们却异口同声地证实他们见过薛定谔之猫，你想象不出它活着的样子，但它确实存在。有了微观世界的真实发现，又有团队谋划着把薛定谔之猫彻底带到宏观领域，挑战量子世界的边界。

量子理论已经取得了伟大成就，但迄今为止，猫仍然是物理帝国的一团乌云。也许，只有微观与宏观这两个世界真正携手的那一天，薛定谔之猫才能好好地存于人间或安睡于天堂。

7洛伦兹的蝴蝶

出生日期：1963年

主人：洛伦兹

门派：混沌学

能力：重归混沌

20世纪初，相对论和量子力学两者合力打碎了经典力学建立的秩序。相对论挑战了牛顿的绝对时空观，量子力学则重构了世界决定论。

不过，最近直接KO牛顿的，还有一只南美洲的蝴蝶。别小看这只任性的蝴蝶，它轻轻地在亚马孙热带雨林中扇动翅膀，就能在两周后的美国得克萨斯州引发一场龙卷风。

1963年，美国气象学家洛伦兹首次揭开蝴蝶的魔鬼真容后，宏观经典力学拥护者的决定论便全都土崩瓦解了。

这只蝴蝶深刻地揭示了混沌理论的真谛：系统对初始条件极具依赖性，而初值的微小差别会导致未来状态的巨大差别，正如中国古人所言：“失之毫厘，谬以千里。”

而洛伦兹的蝴蝶所代表的混沌理论的不确定性，也直接从根本上否定了决定论。相比量子力学只揭示微观世界的不可预测性，混沌理论直接在遵循牛顿定律的常规尺度下，论证了宏观系.统本身也普遍具有随机性。