《悖论》:破解科学史上最复杂的9大谜团

作者吉姆·艾尔-哈利利出生于伊拉克,是国际顶尖的物理学家,他是英国萨里大学的教授,也是知名作家及节目主持人。

一、物理学四大神兽:

  1. 芝诺的乌龟悖论

乌龟与阿基里斯赛跑,在乌龟先跑100米的情况下,阿基里斯每追上一个路段,乌龟都会领先新的路段,因此阿基里斯永远追不上乌龟。

破解:无穷多的数字相加之后,总和却不见得是无穷大的。芝诺将整个路程分成了无穷多个路段,但是将无穷多的路段加在一起时,无穷就会变成有限了。

在量子力学中,无限分割路段是行不通的,因为微观粒子存在最小单位,这也否定了悖论的前提。

  1. 拉普拉斯兽悖论

拉普拉斯兽能掌握宇宙中所有粒子的位置和状态,就能根据经典力学定律预测未来。

破解:在逻辑上,由于拉普拉斯兽是宇宙的一部分,预测行为本身就会干扰宇宙状态,所以除非神兽跳出宇宙之外,否则它对于宇宙信息的掌握就是不完备的,因此永远无法准确地预测未来。

在现实中,混沌理论决定了人们无法预测未来,因为一个微小的因素就可以产生巨大的连锁反应。而量子力学的测不准效应也决定了人类无法准确测量粒子,只能概率描述,否定了人类掌握宇宙全部信息的可能性。

  1. 麦克斯韦妖悖论

麦克斯韦妖在盒子里操纵光滑无摩擦的阀门,将冷热原子分开,实现熵的逆向运转,打破热力学第二定律。

破解:妖要判断原子冷热,就必须对原子进行测量,提取信息,这就要消耗能量。如果把妖看成是一台电脑,当测量原子冷热后就要在磁盘上写下一个比特的测量记录,然后根据这个记录来执行程序,决定阀门是开是关。

由于电脑的存储量是有限的,如果存满了,就得删除一些信息,腾出新的空间。但删除信息会导致热量耗散,向外释放更多的熵。所以,妖在获取、储存、删除信息时都要付出能量和熵增的代价,依然要遵守热力学第二定律。

  1. 薛定谔的猫悖论

猫和放射性原子装在一个密闭盒子里,原子衰变能释放粒子触发开关毒死猫,但原子可能同时处在已衰变和未衰变两种状态,于是猫将既是死的又是活的。

破解:微观粒子只有在不受外界干扰的情况下才能处于量子叠加状态,一旦环境中有其他粒子与之交流碰撞,就会造成叠加状态坍塌。

猫作为一个宏观生物,受环境的干扰更大,早在人们打开盒子之前,猫就不知道要与环境发生多少次粒子碰撞了。叠加状态早已坍塌,因此永远都不可能捕捉到一只又死又活的猫。

二、相对论:

  1. 谷仓内的标枪悖论

以接近光速奔跑的运动员手持标枪朝一座与标枪等长的谷仓跑去,当标枪完全进入谷仓前门时,后门会自动打开。根据尺缩效应,高速运动的物体长度会缩短。

在运动员看来,谷仓以接近光速的速度向他冲来,谷仓缩短,标枪还没完全进入前门,枪头就会撞到后门。但在旁观者看来,高速运动的标枪缩短,能完全进入谷仓,谷仓后门自动打开,枪头不会碰到后门。同样的事件,两种视角一个看到了碰撞,一个看不到碰撞。

破解:信息传播不能超过光速。在旁观者眼里,当缩短的标枪进入谷仓后,前门向后门发送开门的信号,但信号已经落后枪头一整杆枪的距离了,因此信号跑不过枪头,后门不能在枪头到达之前收到开门信号,旁观者同样能看到撞击。所以,运动员和旁观者就意见一致了。

  1. 孪生子悖论

一对孪生兄弟,哥哥留在地球上,弟弟驾驶飞船以接近光速进行1年的星际往返旅行。以哥哥的视角来看,高速运动的弟弟时间变慢,当他返回地球的时候只老了1岁,而哥哥老了10岁。

但以弟弟的视角来看,飞船不动,地球以接近光速倒退并返回,高速运动的哥哥时间变慢只老了1岁,而弟弟老了10岁。

破解:飞船在起飞往返的时候产生加速度,而地球没有。因此飞船与地球互相不是惯性参考系,不适用狭义相对论,而要用广义相对论。

广义相对论中,引力越大时间越慢,而加速度等效于引力,因此是承受了加速度的弟弟时间变慢了,而哥哥老了10岁。

  1. 祖父悖论

如果你能够回到过去,并且在祖父遇见祖母之前就将他杀害,那么你的父亲就不会出生,那么你也不会出生。但假使你从未出生,那你的祖父就不可能被杀害,那么你终究会出生……

这是本书唯一的真悖论。人们构想出平行宇宙,当穿越回平行宇宙时,就可以随心所欲改变过去而不必与原来的宇宙保持一致。

而回到过去可以利用虫洞实现,虫洞形成的时空漩涡可以通向一个截然不同的时间和地点,或者连到另一个平行宇宙里。但是,不管是平行宇宙还是虫洞目前都无法证实。

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