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物理學四大神獸,除了薛定諤的貓,你還知道幾個?

2024-10-07科學

你相信,從宇宙誕生的那一刻起,你就註定會在此刻點開這篇文章嗎?

光是這麽一說,你肯定覺得這是天方夜譚。但是你不妨做這樣一個思考:我們所在的這個世界是由物理定律支配的,簡單如一個物體的移動,扔出骰子後得出的點數;復雜如你在某一刻腦中出現的一個想法,你因為這個想法而做出的動作。這些會不會都可以用物理學計算來進行提前預知呢?那麽,假如世界上有一只通曉所有物理知識、運算能力無限強的「小妖精」,它是不是只需要看一眼你如今的樣子,就可以推斷出你五年後甚至五十年後正在做什麽事情呢?

神不神奇?

今天,我們就來講一講,這個小妖精背後的主人,通曉數學、天文學、物理學的全能科學家,有「法國的牛頓」之稱的——拉普拉斯的故事。

拉普拉斯

初露頭角,震撼學界

1749年,拉普拉斯出生於法國諾曼第的博蒙昂諾日。父親希望拉普拉斯將來能去教堂裏做一名神職人員,於是就讓拉普拉斯在大學裏選讀了神學專業。但是父親萬萬沒想到,自己雖然是給兒子送進科班了,但兒子卻走上了與此截然相反的道路。後來的他不僅沒當上什麽神職人員,還差點把上帝他老人家從宇宙裏面請出去。

在神學系裏面,拉普拉斯對專業課很厭煩,反而是對數學很感興趣。還憑借自己的鉆研完成了一篇關於有限差分的專業論文。拉普拉斯的老師看到這篇論文後,發現這個學生的數學能力確實是相當出色,於是便給拉普拉斯向科學界大佬達朗貝爾寫了一封推薦信。

達朗貝爾

達朗貝爾面對初出茅廬、大學畢業證都沒有的拉普拉斯,剛開始是理都不想理的,然而,沒過多久他的世界觀就被面前的這個年輕人重新整理了。

事情的經過是這樣的:因為想把拉普拉斯打發走,達朗貝爾給拉普拉斯出一道難到離譜的數學問題,想讓拉普拉斯明白科學界的水很深,一般人把握不住。並且還自信滿滿地告訴拉普拉斯一周後再帶著自己的分析過來見自己,主打的就是一個「知難而退」。然而達朗貝爾第二天就明白了:這一屆大學生的水很深,我把握不住。

因為拉普拉斯一晚上就把這道難題解出來了,達朗貝爾一看懵了,這場面沒見過啊!於是,他又給拉普拉斯當場出了一個更加蹩腳的題目,結果呢——拉普拉斯當場就給他解出來了。

這一頓操作給達朗貝爾整不會了,現在的大學生都這麽猛的?這下他無話可說了,將拉普拉斯安排到了巴黎軍事學院去教書。

拉普拉斯的工作在當時不僅是個鐵飯碗,而且還特別有面子。在這期間,發生了一件非常戲劇化的事情:當時學院舉辦了一場軍事考試,這場考試裏拉普拉斯作為考官要從16個考生當中評選出一個優勝者,結果眼光犀利的他成功相中了一名考生並給予了他出頭的機會,而那名被他選出來的考生也確實在之後成為了歐洲歷史上一個小有名望的人,他的名字叫做——

拿破侖·波拿巴。

拿破侖

這可以說是政學兩界的「夢幻聯動」了,拿破侖正是因為拉普拉斯當年提拔過自己,在當上皇帝之後對這位科學家照顧有加。

在軍事學校教書的拉普拉斯雖然已經可以終身躺平了,但他還有個更加宏偉的目標:當上巴黎科學院的院士。那怎麽樣才能夠讓科學院的人註意到自己呢?很簡單,拉普拉斯用了以往很多天才都慣用的手段——爆發式的寫論文。

1770至1773年短短3年期間,拉普拉斯一手完成了13篇重要論文,不僅證明了行星對太陽的平均距離是不變的,還對大數學家、物理學家拉格朗日的理論進行了修改。一個教書的老師做出這麽逆天的事,讓巴黎科學院的院士都有些過意不去了。巴黎科學院的常任秘書統計了拉普拉斯寄來的論文後表示:「自己之前從來沒有在這麽短的時間內收到這麽多重要的論文。」1773年,年僅24歲的拉普拉斯直接被評為了法國科學院的副院士。別人大學畢業的年齡,他當上副院士了,保守估計也是少走了30年的彎路吧。

法國牛頓,成果等身

說了這麽多,天才拉普拉斯這一生究竟有哪些成就呢?可以這麽說,拉普拉斯身上的眾多成就當中隨便拿出一個來,都夠當個著名科學家的,原本二十多個科學家的研究體量,被拉普拉斯一個人全研究了。

首先是在數學方面。概率的嚴格定義就是拉普拉斯提出的,並且他還成功將概率的運算由代數方法改進到了分析方法,一舉成為了分析概率論的奠基人。他所完成的【概率分析理論】是古典概率論向著分析概率論過度的過程中承上啟下的代表作。

除了概率之外,如今我們在數學書上那些耳熟能詳的名字:隨機變量、特征函數、數碼特征,這些都是拉普拉斯引入或者由他改進的。而他所發明的拉普拉斯變換則是如今的工科生們永遠的噩夢,當然,這個理論於如今的工程領域尤其是電子資訊工程而言是不可或缺、至關重要的。

單論這些數學成就,就已經足夠他名垂青史了,但是拉普拉斯顯然不會因為這點小成就就滿足,他研究數學的過程當中,發現物理好像也挺有意思,在拜讀了牛頓的【自然哲學的數學原理】之後他還成了牛頓的鐵桿粉絲。但拉普拉斯和現在那些盲目的追星族不一樣,他是直接把偶像的歷史地位提高了一個檔次。

我們都知道牛頓是萬有重力的提出者,但真正將這一理論的實力發揮出來的人是拉普拉斯。拉普拉斯對萬有重力定律進行了一定的拓展,並且套用於了整個太陽系,成功解決了木星軌域收縮問題、土星軌域膨脹問題、月球加速度問題等等許多在當時懸而未解的世紀難題。他讓人類明白了,原來不需要什麽神的力量,太陽系就可以在牛頓力學的支配下自發地、穩定地一直執行。

這可是牛頓當年想破腦袋都沒有想明白的事情,最後牛頓也只能將其歸結為「神在其中起了推動作用」。而拉普拉斯用他的理論證明了,這些東西用牛頓的力學其實也可以解決,只不過牛頓他老人家當初沒有想到而已。用自己的實際行動證明了:牛頓才是永遠的神!這就叫追星的最高境界,真真正正做到了給自己的偶像封神。

能看出來拉普拉斯不僅是物理學家,同時也是一名天文學家,沒錯,畢竟他可是天體力學的奠基人,他所出版的著作【天體力學】是經典天體力學的集大成之作,這本書當中拉普拉斯還深入地討論了勢論,對重力、流體力學、電磁學以及此後的原子物理都產生了極其深遠的影響。「天體力學」這個名字,也是拉普拉斯首創的。

同時,在物理上拉普拉斯還研究了大地測量學、流體靜力學、潮汐學、地面重力學等等領域。把拉普拉斯在這些領域裏的成就隨便挑一個安給別人,都夠那個人史冊留名了,可拉普拉斯偏偏要一人獨攬。鑒於他對物理學的影響力,有人甚至將他稱為是:「法國的牛頓」。

全能掛王,叫板上帝

關於拉普拉斯的科學成就,講到了這還遠遠沒有講完呢。說他是全能掛王,真是一點都不為過。他不僅是個數學家、物理學家、天文學家,同時還是個化學家。理科教科書的覆寫他是一本都沒落下,可謂變著領域折磨學生,而且每個領域的折磨方式還各都不相同,頗有「拉普拉斯變換」當初帶給我的那種感覺。在化學上,他曾經和拉瓦節大佬合作研究熱學問題,這被看做是熱化學的開端,還間接導致了能量守恒定律的發現。

這還沒完,拉普拉斯還曾探討過一些哲學問題,例如「宇宙是怎麽形成的」。他在大哲學家伊曼努爾·康德的「星雲說」的基礎上,進行了一些自己完善,從數學和物理的角度充實了這個理論。拉普拉斯認為,宇宙可以是自發形成的,隨後根據力學定律自行的運轉,並不需要上帝創造世界這個假設了。可謂是人類歷史上第一個要把上帝請出宇宙的科學家。

有一次,拉普拉斯將他的著作【天體力學】交給已經成為了皇帝的拿破侖過目,這本書當中,拉普拉斯通篇都沒有提及上帝對宇宙有什麽作用,整個太陽系都按照牛頓力學自然地執行著。拿破侖看過後問道拉普拉斯:「為什麽你在書中從來都沒有提到宇宙的創造者呢?」拉普拉斯回答道:「陛下,我用不著那個假設。」

拉普拉斯的世界觀非常有意思,他認為宇宙就像是一個大機械,一切都在按照力學定律按部就班的進行,投擲骰子後得到的點數、突然刮來的風、你在何種時間會做出何種思考、何種行動,這些都可以被力學定律所計算出來的。下一秒將會發生的事情其實已經被上一秒的狀態完全決定了,世間一切都在按照早已寫好了的劇本進行。也就是說,只要你的運算能力夠強,可以透過力學的公式得出任意時刻世界的狀態。

假如說,有一只懂得所有力學知識、明白所有原子位置與動量、計算能力無限強的小妖精在看著宇宙,那麽它只要看到了宇宙任意一刻的狀態,就可以靠計算推出這個宇宙當中任意時刻會出現什麽事情。它可以推斷出18世紀會有一個叫拉普拉斯的人出生,19世紀會有一個叫拿破侖的人在鐘樓駝俠大教堂加冕稱帝,20世紀會有兩次世界大戰,21世紀的你在看天才簡史,這只假想出來的小妖精就是著名的「拉普拉斯妖」。

當然,這個妖精並不是真實存在的,它只是被設想出的一個虛構生物,用來讓人們更好的理解拉普拉斯的機械決定論世界觀。而且我們要知道,拉普拉斯對於宇宙和時空的看法僅僅是眾多世界觀中的一種而已。隨著現代科學尤其是量子力學的進步,越來越多的科學家對這種機械決定論的世界觀提出了質疑。但是不可否認這種世界觀在18世紀還是非常先進的,至少它在當時挑戰了神學的權威。

拉普拉斯對於科學的貢獻還遠不止於此,如今的度量衡也是拉普拉斯參與制定的,我們如今家喻戶曉的長度單位「米」就是當年拉普拉斯定出來的。這件事不僅僅是對於科學研究至關重要,對於人們的日常生活同樣也是功莫大焉。除此之外,拉普拉斯對面積、體積、重量、角度劃分、歷法都提出過自己的建議。

說完了拉普拉斯在科學上的成就,我們不得不說一下拉普拉斯的政治生涯了。你可能會以為,像他這樣的天才在政治生涯應該也如同開掛一般青雲直上吧?事實可能要讓你失望了,拉普拉斯在的仕途並不光彩,甚至可以被認為是這位大科學家光彩人生當中的一個汙點。

人無完人,瑕不掩瑜

在拿破侖得勢之後,拉普拉斯成為了拿破侖的支持者,拿破侖也知道,自己當年幸虧有拉普拉斯的提攜,否則自己可能走不到如今的輝煌,所以他對拉普拉斯非常重視,還將其任命為了自己的內政大臣。但是,拉普拉斯在科學上是一把好手,但在政治上卻一竅不通,沒過多久拿破侖就對他大失所望,參照拿破侖作出的評價:做事總是去尋找細枝末節,未能抓住問題的真實意義,把「無窮小」精神帶進了內閣。

後來,拿破侖失勢了。而拉普拉斯在此時又旗幟鮮明的反對起了自己曾支持的拿破侖,轉而公開支持國王路易十八執政。這種在政治上毫無原則、見風使舵的行為成為了拉普拉斯人生當中的一個汙點。

對此,你是怎麽看的呢?

但不論如何,拉普拉斯一定是一位科學領域的巨人。

尤其是對於科學界的後輩,拉普拉斯往往會給予非常慷慨的扶持,拉普拉斯在身居高位之後,總是樂於幫助那些年輕的學者,像化學家蓋呂薩克、數學家柯西、數學物理學家帕松都曾受到過拉普拉斯的提攜,地理學家洪堡去往法國考察水成巖的分布時,拉普拉斯果斷地對他進行了經濟上的資助。

1827年,就在拉普拉斯臨近77歲生日之際,他突然患上急癥,不幸離世,他去世的時間幾乎剛好是牛頓去世後的一世紀。拉普拉斯就像他的偶像牛頓一樣,是不折不扣的科學天才,同樣也用自己的智慧帶給了人類一個新的宇宙圖景!