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物理学四大神兽,除了薛定谔的猫,你还知道几个?

2024-10-07科学

你相信,从宇宙诞生的那一刻起,你就注定会在此刻点开这篇文章吗?

光是这么一说,你肯定觉得这是天方夜谭。但是你不妨做这样一个思考:我们所在的这个世界是由物理定律支配的,简单如一个物体的移动,扔出骰子后得出的点数;复杂如你在某一刻脑中出现的一个想法,你因为这个想法而做出的动作。这些会不会都可以用物理学计算来进行提前预知呢?那么,假如世界上有一只通晓所有物理知识、运算能力无限强的「小妖精」,它是不是只需要看一眼你如今的样子,就可以推断出你五年后甚至五十年后正在做什么事情呢?

神不神奇?

今天,我们就来讲一讲,这个小妖精背后的主人,通晓数学、天文学、物理学的全能科学家,有「法国的牛顿」之称的——拉普拉斯的故事。

拉普拉斯

初露头角,震撼学界

1749年,拉普拉斯出生于法国诺曼底的博蒙昂诺日。父亲希望拉普拉斯将来能去教堂里做一名神职人员,于是就让拉普拉斯在大学里选读了神学专业。但是父亲万万没想到,自己虽然是给儿子送进科班了,但儿子却走上了与此截然相反的道路。后来的他不仅没当上什么神职人员,还差点把上帝他老人家从宇宙里面请出去。

在神学系里面,拉普拉斯对专业课很厌烦,反而是对数学很感兴趣。还凭借自己的钻研完成了一篇关于有限差分的专业论文。拉普拉斯的老师看到这篇论文后,发现这个学生的数学能力确实是相当出色,于是便给拉普拉斯向科学界大佬达朗贝尔写了一封推荐信。

达朗贝尔

达朗贝尔面对初出茅庐、大学毕业证都没有的拉普拉斯,刚开始是理都不想理的,然而,没过多久他的世界观就被面前的这个年轻人刷新了。

事情的经过是这样的:因为想把拉普拉斯打发走,达朗贝尔给拉普拉斯出一道难到离谱的数学问题,想让拉普拉斯明白科学界的水很深,一般人把握不住。并且还自信满满地告诉拉普拉斯一周后再带着自己的分析过来见自己,主打的就是一个「知难而退」。然而达朗贝尔第二天就明白了:这一届大学生的水很深,我把握不住。

因为拉普拉斯一晚上就把这道难题解出来了,达朗贝尔一看懵了,这场面没见过啊!于是,他又给拉普拉斯当场出了一个更加蹩脚的题目,结果呢——拉普拉斯当场就给他解出来了。

这一顿操作给达朗贝尔整不会了,现在的大学生都这么猛的?这下他无话可说了,将拉普拉斯安排到了巴黎军事学院去教书。

拉普拉斯的工作在当时不仅是个铁饭碗,而且还特别有面子。在这期间,发生了一件非常戏剧化的事情:当时学院举办了一场军事考试,这场考试里拉普拉斯作为考官要从16个考生当中评选出一个优胜者,结果眼光犀利的他成功相中了一名考生并给予了他出头的机会,而那名被他选出来的考生也确实在之后成为了欧洲历史上一个小有名望的人,他的名字叫做——

拿破仑·波拿巴。

拿破仑

这可以说是政学两界的「梦幻联动」了,拿破仑正是因为拉普拉斯当年提拔过自己,在当上皇帝之后对这位科学家照顾有加。

在军事学校教书的拉普拉斯虽然已经可以终身躺平了,但他还有个更加宏伟的目标:当上巴黎科学院的院士。那怎么样才能够让科学院的人注意到自己呢?很简单,拉普拉斯用了以往很多天才都惯用的手段——爆发式的写论文。

1770至1773年短短3年期间,拉普拉斯一手完成了13篇重要论文,不仅证明了行星对太阳的平均距离是不变的,还对大数学家、物理学家拉格朗日的理论进行了修改。一个教书的老师做出这么逆天的事,让巴黎科学院的院士都有些过意不去了。巴黎科学院的常任秘书统计了拉普拉斯寄来的论文后表示:「自己之前从来没有在这么短的时间内收到这么多重要的论文。」1773年,年仅24岁的拉普拉斯直接被评为了法国科学院的副院士。别人大学毕业的年龄,他当上副院士了,保守估计也是少走了30年的弯路吧。

法国牛顿,成果等身

说了这么多,天才拉普拉斯这一生究竟有哪些成就呢?可以这么说,拉普拉斯身上的众多成就当中随便拿出一个来,都够当个著名科学家的,原本二十多个科学家的研究体量,被拉普拉斯一个人全研究了。

首先是在数学方面。概率的严格定义就是拉普拉斯提出的,并且他还成功将概率的运算由代数方法改进到了分析方法,一举成为了分析概率论的奠基人。他所完成的【概率分析理论】是古典概率论向着分析概率论过度的过程中承上启下的代表作。

除了概率之外,如今我们在数学书上那些耳熟能详的名字:随机变量、特征函数、数字特征,这些都是拉普拉斯引入或者由他改进的。而他所发明的拉普拉斯变换则是如今的工科生们永远的噩梦,当然,这个理论于如今的工程领域尤其是电子信息工程而言是不可或缺、至关重要的。

单论这些数学成就,就已经足够他名垂青史了,但是拉普拉斯显然不会因为这点小成就就满足,他研究数学的过程当中,发现物理好像也挺有意思,在拜读了牛顿的【自然哲学的数学原理】之后他还成了牛顿的铁杆粉丝。但拉普拉斯和现在那些盲目的追星族不一样,他是直接把偶像的历史地位提高了一个档次。

我们都知道牛顿是万有引力的提出者,但真正将这一理论的实力发挥出来的人是拉普拉斯。拉普拉斯对万有引力定律进行了一定的拓展,并且应用于了整个太阳系,成功解决了木星轨道收缩问题、土星轨道膨胀问题、月球加速度问题等等许多在当时悬而未解的世纪难题。他让人类明白了,原来不需要什么神的力量,太阳系就可以在牛顿力学的支配下自发地、稳定地一直运行。

这可是牛顿当年想破脑袋都没有想明白的事情,最后牛顿也只能将其归结为「神在其中起了推动作用」。而拉普拉斯用他的理论证明了,这些东西用牛顿的力学其实也可以解决,只不过牛顿他老人家当初没有想到而已。用自己的实际行动证明了:牛顿才是永远的神!这就叫追星的最高境界,真真正正做到了给自己的偶像封神。

能看出来拉普拉斯不仅是物理学家,同时也是一名天文学家,没错,毕竟他可是天体力学的奠基人,他所出版的著作【天体力学】是经典天体力学的集大成之作,这本书当中拉普拉斯还深入地讨论了势论,对引力、流体力学、电磁学以及此后的原子物理都产生了极其深远的影响。「天体力学」这个名字,也是拉普拉斯首创的。

同时,在物理上拉普拉斯还研究了大地测量学、流体静力学、潮汐学、地面重力学等等领域。把拉普拉斯在这些领域里的成就随便挑一个安给别人,都够那个人史册留名了,可拉普拉斯偏偏要一人独揽。鉴于他对物理学的影响力,有人甚至将他称为是:「法国的牛顿」。

全能挂王,叫板上帝

关于拉普拉斯的科学成就,讲到了这还远远没有讲完呢。说他是全能挂王,真是一点都不为过。他不仅是个数学家、物理学家、天文学家,同时还是个化学家。理科教科书的改写他是一本都没落下,可谓变着领域折磨学生,而且每个领域的折磨方式还各都不相同,颇有「拉普拉斯变换」当初带给我的那种感觉。在化学上,他曾经和拉瓦锡大佬合作研究热学问题,这被看做是热化学的开端,还间接导致了能量守恒定律的发现。

这还没完,拉普拉斯还曾探讨过一些哲学问题,例如「宇宙是怎么形成的」。他在大哲学家伊曼努尔·康德的「星云说」的基础上,进行了一些自己完善,从数学和物理的角度充实了这个理论。拉普拉斯认为,宇宙可以是自发形成的,随后根据力学定律自行的运转,并不需要上帝创造世界这个假设了。可谓是人类历史上第一个要把上帝请出宇宙的科学家。

有一次,拉普拉斯将他的著作【天体力学】交给已经成为了皇帝的拿破仑过目,这本书当中,拉普拉斯通篇都没有提及上帝对宇宙有什么作用,整个太阳系都按照牛顿力学自然地运行着。拿破仑看过后问道拉普拉斯:「为什么你在书中从来都没有提到宇宙的创造者呢?」拉普拉斯回答道:「陛下,我用不着那个假设。」

拉普拉斯的世界观非常有意思,他认为宇宙就像是一个大机械,一切都在按照力学定律按部就班的进行,抛出骰子后得到的点数、突然刮来的风、你在何种时间会做出何种思考、何种行动,这些都可以被力学定律所计算出来的。下一秒将会发生的事情其实已经被上一秒的状态完全决定了,世间一切都在按照早已写好了的剧本进行。也就是说,只要你的运算能力够强,可以通过力学的公式得出任意时刻世界的状态。

假如说,有一只懂得所有力学知识、明白所有原子位置与动量、计算能力无限强的小妖精在看着宇宙,那么它只要看到了宇宙任意一刻的状态,就可以靠计算推出这个宇宙当中任意时刻会出现什么事情。它可以推断出18世纪会有一个叫拉普拉斯的人出生,19世纪会有一个叫拿破仑的人在巴黎圣母院大教堂加冕称帝,20世纪会有两次世界大战,21世纪的你在看天才简史,这只假想出来的小妖精就是著名的「拉普拉斯妖」。

当然,这个妖精并不是真实存在的,它只是被设想出的一个虚构生物,用来让人们更好的理解拉普拉斯的机械决定论世界观。而且我们要知道,拉普拉斯对于宇宙和时空的看法仅仅是众多世界观中的一种而已。随着现代科学尤其是量子力学的进步,越来越多的科学家对这种机械决定论的世界观提出了质疑。但是不可否认这种世界观在18世纪还是非常先进的,至少它在当时挑战了神学的权威。

拉普拉斯对于科学的贡献还远不止于此,如今的度量衡也是拉普拉斯参与制定的,我们如今家喻户晓的长度单位「米」就是当年拉普拉斯定出来的。这件事不仅仅是对于科学研究至关重要,对于人们的日常生活同样也是功莫大焉。除此之外,拉普拉斯对面积、体积、重量、角度划分、历法都提出过自己的建议。

说完了拉普拉斯在科学上的成就,我们不得不说一下拉普拉斯的政治生涯了。你可能会以为,像他这样的天才在政治生涯应该也如同开挂一般青云直上吧?事实可能要让你失望了,拉普拉斯在的仕途并不光彩,甚至可以被认为是这位大科学家光彩人生当中的一个污点。

人无完人,瑕不掩瑜

在拿破仑得势之后,拉普拉斯成为了拿破仑的支持者,拿破仑也知道,自己当年幸亏有拉普拉斯的提携,否则自己可能走不到如今的辉煌,所以他对拉普拉斯非常重视,还将其任命为了自己的内政大臣。但是,拉普拉斯在科学上是一把好手,但在政治上却一窍不通,没过多久拿破仑就对他大失所望,引用拿破仑作出的评价:做事总是去寻找细枝末节,未能抓住问题的真实意义,把「无穷小」精神带进了内阁。

后来,拿破仑失势了。而拉普拉斯在此时又旗帜鲜明的反对起了自己曾支持的拿破仑,转而公开支持国王路易十八执政。这种在政治上毫无原则、见风使舵的行为成为了拉普拉斯人生当中的一个污点。

对此,你是怎么看的呢?

但不论如何,拉普拉斯一定是一位科学领域的巨人。

尤其是对于科学界的后辈,拉普拉斯往往会给予非常慷慨的扶持,拉普拉斯在身居高位之后,总是乐于帮助那些年轻的学者,像化学家盖吕萨克、数学家柯西、数学物理学家泊松都曾受到过拉普拉斯的提携,地理学家洪堡去往法国考察水成岩的分布时,拉普拉斯果断地对他进行了经济上的资助。

1827年,就在拉普拉斯临近77岁生日之际,他突然患上急症,不幸离世,他去世的时间几乎刚好是牛顿去世后的一世纪。拉普拉斯就像他的偶像牛顿一样,是不折不扣的科学天才,同样也用自己的智慧带给了人类一个新的宇宙图景!