打年兽？不如帮科学家打小怪兽

转眼间，中国新年又来了。

当我还是个孩子的时候，乔布斯叔叔还在做动画，互联网并不流行。所谓的“守岁”是指等着电视变成雪花，然后打着哈欠乞求爷爷奶奶讲故事。

从前有一个叫“年”的怪物，他偶尔会出来做坏事。人们别无选择，只能抓紧时间向山上跑去。有一位老妇人年纪太大了，不能走路，自愿留下来。晚上，一位老人来到村子里，看上去好像几天没吃东西了。老太太看着穷人，给了他一碗食物。

老人说:“夫人，我想你是村子里唯一的一个。你是在躲避年兽吗？”

老太太点点头，答应了。

老人告诉她，为了报答一顿饭的恩情，“年兽，怕光和噪音，如果你这样做，它就不敢来了。”

尼恩

年兽的传说因地而异。抛开细节不谈，有一点是相同的:最终，人们通过某种方式发现了年兽的生理规律，并用这个规律打败了它。

在科学史上，也有一些怪物。他们通常出生在某所大学的思维工厂。他们厌倦了那里整洁有序的逻辑，发誓要颠覆普通人的认知，或者干脆摧毁科学的基础，撕掉一条可以玩的法律。

不同的是，这次没有人来报答这份恩情。我们唯一可以依靠的就是我们自己。

芝诺的乌龟

阿喀琉斯是佩琉斯和忒提斯的儿子。父亲是国王，母亲是海洋女神，标准的高富帅；更值得注意的是，一般儿童出生后都会接种疫苗或服用维生素K。然而，阿喀琉斯的母亲表现出了极大的远见卓识，抱着他的脚，把他泡在冥河里。从那以后，哥哥们就成了战士们的代名词，他们刀枪不入、勇敢坚毅，八块腹肌像鸽子巧克力一样又黑又壮。

然而，老芝诺先生说，“阿喀琉斯，你是一头牛。你没有乌龟跑得快！”

让我们以伟大的首都为例来说明芝诺的思想。

乌龟和阿喀琉斯都从工人体育场出发，跑向昌平区。乌龟先走，当他到达北京航空航天大学时，阿喀琉斯开始追他。阿喀琉斯确实跑得很快，但是乌龟并没有闲着。因此，当阿喀琉斯跑到北京航空航天大学时，乌龟已经告别了清华大学。当阿喀琉斯在清华买水和饮料时，这只乌龟已经在北京到新加坡的高速公路上了...

以此类推，这样的过程可以有无数个。因此，尽管两者之间的距离正在缩小，阿喀琉斯永远也追不上乌龟。

阿喀琉斯永远也追不上乌龟(图片来自互联网)

芝诺的乌龟悖论是芝诺的另一个著名悖论——二分法悖论的变形。如果你想跑100米，你必须先跑50米。如果你想跑50米，你必须先跑25米。你可能认为25米不算什么，但25米可以再分成两部分。正如龚宇对支书所说，“案件数量没有限制”你害怕吗？

芝诺用乌龟悖论和二分法悖论试图证明所有的运动都是幻觉，世界的本质是“不可改变的”。然而，他并不认为他的两个难题或多或少地影响了物理和数学，这两者都寻求“变化”。

是的，阿喀琉斯需要无数步才能追上乌龟，但只要他一开始就知道它们之间的距离和速度差异，他就可以完全忽略这些，直接计算阿喀琉斯追上乌龟所需的时间。是的，100米几乎可以无限期地分开，但是随着距离减半，所需的时间也不断减半。跑50米需要10秒，跑25米只需要5秒。这些数字加起来就是一个特定的结果。将近20，无限多的过程并不意味着永恒。

麦克斯韦精灵

在头两周，寒潮向南移动，中国许多城市经历了大雪。许多网民开玩笑说，“寒冷使人年轻——不管他们多大，他们都被冻成孙子了。”

中国海岸线的南面是珠江三角洲边缘的南海。因为气候的原因，这里一年到头都没有冰。能否发明一种装置来自发吸收海水热量并解决南方的供暖问题？或者，把它放在淘宝上卖，多么大的商机，这是南海之水，同志们，那全是银子...

不幸的是，没有。我们可以做一个实验。准备一个中间插有隔热板的水箱。在左边倒一杯开水(100摄氏度)，在右边倒一杯冰水混合物(0摄氏度)。接下来，拉开隔板。在泵出的瞬间，水箱仍然是高度有序的，具有高水温、强分子运动、低水温和慢分子运动。接下来，这是关键点。每个分子都在无序地不断运动。你可以把分子想象成台球桌上的台球，无数的球杆随机击打它们。会发生什么？“快分子”和“慢分子”必然会逐渐融合在一起，而且在开始时几乎不可能有一个左手堆和一个右手堆。

热力学上，熵用来表示系统的混沌程度。初始有序态的熵很低。后混合态的熵很高。所以我们可以大胆地猜测——事实上，许多科学家都这么做，孤立的系统必须向最大熵状态进化。

热力学第二定律是统计定律，是人们通过长期观察总结出来的。没有严格的科学证据。因此，许多人都不服气，麦克斯韦就是其中之一。

麦克斯韦说:“我有一个向导，它能识别快分子和慢分子，现在让它控制隔板，只允许快分子从左到右，慢分子从右到左。从长远来看，慢慢地，左侧几乎充满了快分子，右侧充满了慢分子。”

这是一个孤立的系统吗？是。

它的熵增加了吗？没有。

只有快速分子才能从左边进入右边(照片来源:中国科学院量子信息重点实验室)

麦克斯韦的精灵困扰着许多人。直到1929年，线性粒子加速器、回旋粒子加速器和电子显微镜的发明者利奥·西拉德才提出了答案。西拉德在他的论文中指出，信息是一种低熵状态。也就是说，麦克斯韦的精灵，要识别快分子和慢分子，必须知道每个分子的位置和运动速度。为了获得这些信息，他们必须把自己置于低熵状态。为了使自己处于低熵状态，他们必须首先消耗能量。

这就像开水。水壶里的水的熵值不断降低。然而，在这个过程中，水需要从天然气的燃烧中获得能量，而天然气的熵则大大增加。它不仅影响水壶和水，还会扩散到空气中。因此，从系统的角度来看，熵作为一个整体仍在增加。

热力学被保存，放开南海。

爱因斯坦的运动员

爱因斯坦是一位伟大的物理学家。这种“不同凡响”体现在两个方面:首先，他推导出了相对论，用它我们可以研究高速运动，看到医院的放射科，享受全球卫星定位带来的便利；其次，几乎同时出现的量子力学仍然充满神秘。爱因斯坦自己恰当地处理了相对论的所有方面。

相对论有一个重要的推论:高速运动的物体长度会变短。我们的故事也从这里开始。

一个不知道自己在服用什么药的运动员，突然有了接近光速的奔跑速度。虽然科幻有点，但也不是不可能，不是吗？运动员拿着一根长杆跑向一个谷仓。虽然不容易理解，但人家愿意，我能做什么？如果杆子的长度和谷仓的长度一样，那就是10米。因为高速运动物体的长度会变短，所以运动员手中的杆子不会是十米，而是比十米略短。为了描述方便，让我们把它看作9.5米。

运动员拿着一根长杆向谷仓跑去。首先进入谷仓的前门，然后到达谷仓的中间。此刻，这根柱子有9.5米，比谷仓还短。因此，如果前门和后门在这个时候都关着，运动员和长杆很容易被锁在谷仓里，对吗？

接下来是亮点:运动的状态与参考系统有关。如果从运动员的角度来看，他和杆子都静止不动，谷仓以光速向他靠近，那么根据“高速运动的物体长度会变短”的前提，此时谷仓的长度会变短9.5米。如何在一个9.5米的谷仓里关上一根10米长的杆子？

爱因斯坦说:“相对论是对的，运动员和谷仓也是对的——杆子可以被锁在里面和外面。”

如前所述，根据相对论，我们可以享受全球卫星定位。许多人可能不理解这一点，这需要相对论的第二个重要推论:物体移动得越快，时间就越慢。

速度越快，时间过得越慢。

换句话说，当你跑步时，时间的速度和你坐在电脑前时不一样。当然，人的奔跑速度是有限的，博尔特只有每秒10米，所以这种效果并不明显。然而，卫星速度非常快。在设计全球定位系统时，必须考虑卫星时间和地面时间的差异，否则后果将非常严重。

现在让我们回顾一下运动员，伙计。以谷仓为参照系统，运动员高速运动，长杆变短，通过前门进入谷仓，然后前门后门关闭，长杆暂时锁在谷仓，这是没有问题的。从运动员的角度来看，谷仓以很高的速度向他靠近。谷仓的时间被无限地放慢了。前门和后门没有“同时关闭”。后门关了，然后打开了。球杆头穿过后门。那时，前门对运动员是关闭的。

拉普拉斯的蝴蝶

如上所述，麦克斯韦的精灵和爱因斯坦的运动员虽然受到很大影响，但都局限于某个领域。以下是不同的。我们以后要说的不仅关系到每个人，也关系到生活的意义。

确切地说，拉普拉斯的蝴蝶是打败拉普拉斯的蝴蝶。

我们经常谈论因果关系。因为你吃得太多，不锻炼，你会发胖。由于向南的寒潮，最近气温急剧下降。因为你妈妈讨厌你玩手机，不管你是头痛、感冒还是腹泻，都是手机的错。俗话说，有结果才有原因。如果每一个结果都是由某种原因引起的，那么如果一台计算机知道世界上所有的原因，它就不能预测未来吗？

侯爵·拉普拉斯是牛顿的忠实粉丝。拿破仑曾经问他，“为什么你的书中没有上帝？”拉普拉斯回答，“陛下，我不需要那个假设”。在马奎斯看来，世界是机械的，注定要毁灭。只要给出物体的初始位置和速度，就很容易计算出它的最终结果。你想要上帝做什么？

在此基础上，他在《概率论》一书中进一步假设。如果“某种智力存在”知道宇宙的所有定律，知道从恒星到原子的一切状态，并且拥有无限的计算能力，那么他就能预测任何事情。

如果这个世界注定要毁灭并且是可预测的，那么*意志又有什么用呢？我们活着，是不是像一系列多米诺骨牌一样，被动地接受来自前方的推力，不可避免地按照命运的方向倒下？

20世纪60年代，美国气象学家爱德华·洛伦茨发现了打败拉普拉斯的蝴蝶。

洛伦茨当时正在使用计算机模拟气候模式。将一组初始数据输入计算机，然后计算机将进行一系列计算。每个过程都会产生一个结果。计算机将打印结果。那时，计算机的计算能力可以精确到小数点后第六位，但是由于系统的限制，打印的数字必须四舍五入到小数点后第三位。

有一次，洛伦茨想重复计算，于是选择了一个印刷数字。根据常识，小数点后第六位和小数点后第三位之间的差异很小，最终的计算结果应该非常相似。然而，洛伦茨惊讶地发现，最初的数据中只有一个小的变化产生了巨大的差异。

据此，洛伦茨提出了蝴蝶效应:南太平洋的一只蝴蝶扇动翅膀，美国东部可能会有暴风雪。

电影《蝴蝶效应》宣传海报。这位英雄一次又一次地试图回到过去，改变历史，但是微小的改变总是导致更严重的后果。

牛顿力学是一个线性系统。一个小球滚下斜坡。球下落的距离必须与球的初始速度成正比。所以我们只需要知道初速度，然后把它代入公式，就可以得出结论。天气是非线性的，受许多因素控制。甚至蝴蝶翅膀产生的微小气流也会影响其中一只。一旦初始条件发生变化，即使变化很小，结果也会大不相同。在这种情况下，“某种智力存在”是无能为力的。

蝴蝶效应没有回答宇宙是否是“注定的”，但它告诉我们未来是不可预测的。

费米的外星人

与上述困难和晦涩的概念相比，费米的外星人更令人愉快。

费米悖论基于一个非常简单的论点。例如，有一天中午，你想吃烤肉串，附近卖烤肉串的商店刚刚关门。此时，你肯定会选择另一家商店。因为做烤肉串、羊肉和孜然所需要的东西并不罕见。在这么大的城市和这么多的餐馆，可能会有其他的烤肉串卖家。结果，你在城里转了两个小时，却没有找到第二个家。这时，十有八九，你会开始考虑:那家店的特色在哪里，为什么只有他家卖羊肉串。

现在让我们把目光转向太空深处。宇宙有几十亿年的历史，直径有几十亿光年。仅银河系就有无数的恒星。对于恒星，行星系统有一定的可能性。根据常识，这么多行星，即使只有万分之一的机会产生更高的生命，宇宙现在应该是熙熙攘攘的。为什么外星人从来没有来看过我们？为什么我们从未发现任何外星人的踪迹？地球真的如此特别以至于没有其他的分支吗？

费米悖论可以用两句话来概括:如果生命不是特别的，那么其他外星生命在哪里？如果生命很特别，为什么只出现在地球上？

我们年轻的时候，有家人陪伴。当我们长大后，我们进入了学校，认识了许多同学，等等。当我们作为甲方或乙方进入该部门时，我们有竞争对手和合作伙伴。有没有可能人类作为一个整体，只能在宇宙中孤独？

大多数人不这么认为，所以有更多关于费米悖论的解释，“为什么外星人没有出现？”

刘在《三体》中假设宇宙就像一个丛林。每个人同时扮演猎人和猎物两个角色。因此，大多数文明小心翼翼地掩盖它们的踪迹。罗伯特·索亚并不悲观。他在《计算中的上帝》中提到，无论技术有多先进，物理永恒都是困难的。即使是能在恒星间穿梭的种族也可能不得不忍受癌症的折磨。因此，宇宙中的绝大多数文明选择在某个时刻将他们的思想上传到电脑上，以追求另一种意义上的不朽。

此外，有接触，外星人已经到达，但我们还没有发现他们。自我毁灭说高等智慧生命有自我毁灭的倾向。在我们找到他们之前，他们已经在战争中消失了。有些人认为我们用自己的方法去探索是错误的。外星人可能和我们不一样。他们必须广泛获取能量，并热衷于向外层空间发射电磁波。

外星人，在科幻小说中，我们从不孤独。

当然，有些人并不满意。他们认为人类在宇宙中占有极其特殊的地位。宇宙必须让地球产生生命，只有让地球产生生命才能完成某个目的或使命。

读者可能希望判断它是对还是错。不管怎样，在外星飞船到达之前我们有足够的时间——不管它是装满鲜花还是导弹。

在科学之旅中，有几个废弃的小屋。在作者的指导下，不是一个称职的导游的读者们已经去了很多地方。

太阳从东方升起，从西方落下。晚上，天空会变暗。在许多人眼里，这是理所当然的。他们也希望这种“理所当然的”能够继续下去。与农历新年相吻合的田园牧歌和绿草如茵，是如此的宁静和令人不安？

然而，有些人不禁要问:宇宙中有无数的恒星，每颗恒星发出的光都会到达地球。为什么夜晚依然黑暗？

为什么晚上很黑？因为宇宙起源于大爆炸

在20世纪20年代，当地球人口不到20亿时，旧帝国已经因为利润不足而互相争斗。现在，100年过去了，人口已经超过70亿。没有更多的战争爆发了，因为大多数人仍然买得起吃的。

所有这一切都是基于技术进步，技术进步始于“问一些我无法控制的问题”

我们的好奇心创造了那些怪物。它们似乎露出了牙齿和爪子，但它们实际上是在帮助我们摆脱枷锁。