這篇稿子也純粹屬于一篇心血來(lái)潮的文章，主要也是看到了文豪試煉場(chǎng)所要求的支線任務(wù)：我所知道的冷知識(shí)?？吹竭@個(gè)任務(wù)，我瞬間想到了前陣子當(dāng)我看到《青春豬頭少年不會(huì)夢(mèng)到兔女郎學(xué)姐》在第一集介紹了量子力學(xué)中薛定諤的貓的思想實(shí)驗(yàn)，然后又在第四集提到了拉普拉斯妖的時(shí)候，作為一個(gè)學(xué)習(xí)純物理的我就覺(jué)得作者在同一個(gè)作品里面提到了這兩個(gè)概念，卻又不去說(shuō)說(shuō)它們之間的交集，實(shí)在有點(diǎn)太可惜了。所以這里就突發(fā)奇想，想來(lái)分享一下一個(gè)其實(shí)蠻艱澀的冷知識(shí)——量子混沌。

當(dāng)然實(shí)際上我自己也對(duì)這個(gè)學(xué)問(wèn)不是很了解，我今天的主要目的也不是完全讓你搞懂這個(gè)學(xué)問(wèn)是什么，今天我只想在最后讓你理解一個(gè)連現(xiàn)金物理學(xué)家也都搞不明白的悖論，只要你看完我的這篇小科普能夠至少看得懂我最后所說(shuō)的悖論的話，那么我也算是成功了。為此我會(huì)用一些不精確和不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼Z(yǔ)言，所以懂行的朋友也無(wú)需過(guò)度挑剔。

薛定諤的貓與量子力學(xué)的基礎(chǔ)

在動(dòng)畫(huà)中其實(shí)很常運(yùn)用到薛定諤的貓的這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，?？磩?dòng)畫(huà)的朋友或許已經(jīng)對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)非常熟悉，但為了完整性這里稍微重新介紹一下這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)非常簡(jiǎn)單，就是如果把一只貓關(guān)在盒子里，同時(shí)放進(jìn)一個(gè)隨機(jī)釋放毒藥的裝置，毒藥釋放的幾率是50%，那么在不看這只貓的情況下，請(qǐng)問(wèn)這只貓是活著的，還是死了的呢？最精確的標(biāo)準(zhǔn)答案是：這只貓正在一個(gè)生與死之間的疊加狀態(tài)，但如果用一般人能夠理解的話來(lái)說(shuō)，那就是這只貓是半生半死的。要決定它最后是生是死，需要那個(gè)打開(kāi)蓋子的人去觀察那只貓，狀態(tài)才會(huì)被確定下來(lái)。

這個(gè)觀察才會(huì)決定狀態(tài)的概念，被《青春豬頭少年》用來(lái)解釋學(xué)姐的“青春癥候群”現(xiàn)象，用來(lái)解釋為什么學(xué)姐會(huì)逐漸的被人忽視與遺忘。但是這個(gè)概念雖然看似很玄乎，但是確實(shí)一切量子力學(xué)的基礎(chǔ)，是量子力學(xué)與古典力學(xué)最大的分歧。這個(gè)基礎(chǔ)是什么呢，我暫且稱之為天然不確定性。這個(gè)不確定，不是因?yàn)樾畔⒘窟^(guò)大我們無(wú)法分析所導(dǎo)致的不確定，而是從根本上，有些性質(zhì)就沒(méi)辦法被確定，或者更準(zhǔn)確的說(shuō)，同時(shí)被確定。而這就是海森堡測(cè)不準(zhǔn)定理了。

我們就不糾結(jié)為什么我們的自然界竟然會(huì)容許如此大量的天然不確定的存在，但是這種根本上的不確定，與我們的生活經(jīng)驗(yàn)實(shí)在相去甚遠(yuǎn)，我們所熟知的自然規(guī)律，理應(yīng)是足夠確定的才對(duì)。比如我存在的位置，你跑動(dòng)的速度，這些雖然我們?cè)跍y(cè)量上會(huì)出現(xiàn)誤差，但是這些物理量卻是實(shí)實(shí)在在的，沒(méi)有什么過(guò)多的不確定可言。所以在量子力學(xué)里邊，如何讓這些不確定通往確定的道路，就是測(cè)量，就是觀察。當(dāng)然這一過(guò)程同時(shí)也會(huì)使另一物理量變得完全的不確定，這里也不過(guò)多在這個(gè)細(xì)節(jié)上糾纏了。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，測(cè)量這件事情，在我們的認(rèn)知里面（也就是古典力學(xué)里面），作用叫做獲取已經(jīng)存在的物理現(xiàn)實(shí)的資訊，也就是無(wú)論我測(cè)量不測(cè)量，桌子該這么長(zhǎng)就這么長(zhǎng)，你距離我多遠(yuǎn)就有多遠(yuǎn)，不會(huì)因?yàn)槲业臏y(cè)量而改變這個(gè)物理現(xiàn)象。但是測(cè)量在量子力學(xué)里面，其實(shí)是改變了原本不確定的狀態(tài)，測(cè)量這件事情不再是一個(gè)“旁觀者”，它已經(jīng)成為了物理現(xiàn)象中的“參與者”了?；叵肫鹞覀円婚_(kāi)始所提及的薛定諤的貓的實(shí)驗(yàn)，關(guān)在盒子里的貓，其實(shí)是一種不確定的狀態(tài)，而打開(kāi)盒子觀察這只貓的你，卻改變了貓的狀態(tài)；所以才會(huì)有那句話，殺死貓的不是盒子里的裝置，殺死貓的是打開(kāi)盒子觀察貓的你。

所以這里我們做一個(gè)小結(jié)，量子力學(xué)的基礎(chǔ)在于對(duì)于世界的形容和我們認(rèn)知的不一樣，在量子力學(xué)中，物理量將不會(huì)是一個(gè)絕對(duì)值，而是一個(gè)不確定的狀態(tài)，包括最常見(jiàn)的位置與動(dòng)量。而我們所做的觀察，會(huì)將原本不確定的狀態(tài)強(qiáng)制投影到某一個(gè)確定的狀態(tài)之中。

拉普拉斯妖怪和混沌理論

《青春豬頭少年》的第四集里介紹了拉普拉斯妖怪，這個(gè)妖怪是一個(gè)能夠在同一時(shí)間里知曉天地萬(wàn)物的所有位置和動(dòng)量，而根據(jù)古典物理，只要我們能夠擁有所有的這些信息，我們便能通過(guò)運(yùn)算去知曉天地萬(wàn)物在未來(lái)的所有變化，簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)這只妖怪可以預(yù)知未來(lái)。

但是實(shí)際上這只妖怪的存在已經(jīng)被非常多物理理論給反駁，而我們?nèi)祟惛遣豢赡茏龅降睦碛稍谟谖覀儧](méi)有可能處理如此龐大的數(shù)據(jù)與資料。說(shuō)得難聽(tīng)一點(diǎn)，我們連兩個(gè)即便位置與動(dòng)量相近的物體，都無(wú)法準(zhǔn)確的掌握兩者在未來(lái)的走向，而這個(gè)，就是我接下來(lái)要說(shuō)的混沌理論了。

說(shuō)到混沌理論，最能夠映入大家腦袋里的一個(gè)名詞，我想肯定是蝴蝶效應(yīng)吧！蝴蝶效應(yīng)也廣泛的被利用在各種故事之中，講述著一只小蝴蝶在遠(yuǎn)方所拍動(dòng)的翅膀，很可能就是這里產(chǎn)生龍卷風(fēng)的罪魁禍?zhǔn)?。?jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，當(dāng)一個(gè)微小的動(dòng)作能夠在未來(lái)產(chǎn)生劇烈的變化與改變的時(shí)候，我們便稱之為混沌。

實(shí)際上，這些混沌的系統(tǒng)是古典物理中對(duì)于拉普拉斯妖怪的一種解脫。拉普拉斯妖怪所存在的世界是一種絕對(duì)論的世界，就是不管你做什么還是不做什么，其實(shí)早就已經(jīng)有所決定；而混沌理論的提出，算是些許打破了這種決定論，它告訴了我們即便兩個(gè)人的起點(diǎn)很相似，你的未來(lái)也很可能大有不同，你的未來(lái)已經(jīng)無(wú)法被輕易運(yùn)算與預(yù)測(cè)。但是當(dāng)然，這些系統(tǒng)之所以會(huì)混沌，只是因?yàn)槲覀內(nèi)祟悰](méi)有這樣的運(yùn)算能力，如果真的有像拉普拉斯妖怪這樣的怪物存在，混沌于他而言也不是混沌了。

同樣，這里我們也不過(guò)多糾結(jié)這些討論，我核心要萃取的信息量就是：混沌理論指出即便兩個(gè)主體有著非常接近的物理狀態(tài)，他的未來(lái)發(fā)展也很可能會(huì)是及其不規(guī)則且混亂的，甚至如果時(shí)間夠長(zhǎng)，它們之間將會(huì)完全的毫不相干。

我們的地球?yàn)槭裁催€會(huì)繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)？

在有了先前的知識(shí)儲(chǔ)備之后，我們終于可以來(lái)說(shuō)我今天想要介紹的悖論，那就是為什么我們的地球現(xiàn)在還會(huì)繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)？

這個(gè)問(wèn)題聽(tīng)起來(lái)很蠢，但是請(qǐng)待我慢慢解釋為什么這個(gè)問(wèn)題很玄。我們現(xiàn)今的物理絕大多數(shù)人都承認(rèn)量子力學(xué)的正確性，也就是說(shuō)世界的所有物體其實(shí)都有著根本的不確定性。那么換言之，我們的地球也應(yīng)該有著在位置上的不確定性，即便非常之小，小到我們根本沒(méi)有任何儀器去偵測(cè)這個(gè)誤差。但是就量子力學(xué)的角度而言，這個(gè)不確定性依舊是存在的。

另一方面，我們剛剛也提及了混沌理論中所提出的概念，那就是兩個(gè)相近的物理狀態(tài)，隨著時(shí)間的推展，它們將會(huì)變得極其混亂甚至毫不相干。那么既然地球在位置上有著不確定，通過(guò)混沌理論，兩個(gè)雖然相近的狀態(tài)理應(yīng)會(huì)變得無(wú)法預(yù)測(cè)，那么為什么如今地球還會(huì)如此確定的在自己的軌道上運(yùn)行呢？

這么說(shuō)或許還是很難理解，我們把這顆地球想象成是那只薛定諤的貓那樣：有一半的地球在位置A，一半的地球在位置B。位置A和B雖然靠近，但是它們必然不在同一點(diǎn)，否則就不會(huì)叫做不確定了嘛；而再根據(jù)混沌理論，隨著時(shí)間的發(fā)展，在位置A的那一半地球?qū)?huì)和在位置B的另一半地球變得完全混亂且無(wú)法預(yù)測(cè)，甚至直到最后這兩半地球可能變得毫不相干，那么為什么我們現(xiàn)在還會(huì)看到一顆完整的地球隨著我們所運(yùn)算出來(lái)的軌道在行走呢？

當(dāng)你這么去思考這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，是不是突然間覺(jué)得：對(duì)啊？為什么呢？

或許有人會(huì)說(shuō)因?yàn)槲覀兊厍蚶@著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的這個(gè)系統(tǒng)足夠簡(jiǎn)單，根本不會(huì)出現(xiàn)混沌現(xiàn)象。但是實(shí)際去計(jì)算的話，足夠長(zhǎng)的時(shí)間是足以產(chǎn)生混沌現(xiàn)象的，而地球形成至今接近50億年，是足以讓混沌形成。

或許又有人會(huì)說(shuō)這是因?yàn)槲覀內(nèi)祟惉F(xiàn)在時(shí)刻觀測(cè)著地球，所以地球的位置不斷的被強(qiáng)制投影到它應(yīng)該存在的位置上。這個(gè)回答其實(shí)有一個(gè)bug，那就是難道人類在誕生之前，或者意識(shí)被產(chǎn)生之前地球就不這么運(yùn)轉(zhuǎn)了嗎？這明顯也說(shuō)不通。

所以這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在有解答了嗎？就我所知目前還沒(méi)有一套非常完美的解釋方法。但是這個(gè)問(wèn)題很有趣，它讓我們這群學(xué)物理的人，再一次重新的去思考物理是什么，自然的本質(zhì)是什么，世界運(yùn)行的法則到底是怎樣的。當(dāng)然啦，我寫(xiě)的這一大堆內(nèi)容，對(duì)于一個(gè)不學(xué)物理的人來(lái)說(shuō)，或許最多也只是一個(gè)能夠拿出來(lái)裝逼的冷知識(shí)吧！

我的這篇沒(méi)啥用的冷知識(shí)就分享到這里，希望大家也會(huì)覺(jué)得我的分享有趣，如果喜歡的話還請(qǐng)務(wù)必點(diǎn)贊支持一下up主哦！

ps：標(biāo)題其實(shí)有欺詐性質(zhì)，其中一個(gè)推翻拉普拉斯妖怪存在的理論就是量子力學(xué)，因?yàn)榱孔恿W(xué)主張物理量基本的不確定性，那么能夠同時(shí)知曉一切物理量的拉普拉斯妖怪就不可能存在；當(dāng)然這前提依舊是量子力學(xué)是正確的。

ps2：別的不說(shuō)，《青春豬頭少年》能夠花時(shí)間去嘗試用物理的角度去解釋故事里離奇的現(xiàn)象，真的讓我一個(gè)學(xué)物理的人感觸良多啊！

ps3：這篇純粹是看到了支線任務(wù)的突發(fā)奇想，專欄我依舊會(huì)好好日更，希望大家能夠持續(xù)的支持我哦！當(dāng)然啦，對(duì)于本篇專欄的一些討論也非常歡迎哦！