所有真正高明的思想都已經(jīng)歷過成千上萬(wàn)次的思考，但是要讓它們真正成為我們的思想，我們必須誠(chéng)實(shí)地重新思考一遍，直到它們?cè)谖覀兊娜松?jīng)歷中生根發(fā)芽。
約翰?沃爾夫?qū)?馮?歌德
阿爾伯特?愛因斯坦（1879-1955）不僅是一位物理學(xué)家，還是一位真正的創(chuàng)新者，一位親手拆掉物理學(xué)大廈的人，他對(duì)科學(xué)的獨(dú)特態(tài)度是由深深的好奇心和想象力所決定的。他敢于質(zhì)疑宇宙的基本規(guī)律，從而改變了我們對(duì)現(xiàn)實(shí)的理解。
愛因斯坦的思想實(shí)驗(yàn)（德文為 Gedankenexperimente）是他用來探索最復(fù)雜、最抽象概念的方法，也是他發(fā)展相對(duì)論的方法中關(guān)鍵的部分。
他不是第一個(gè)也不是最后一個(gè)在研究中進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)的人，但是，至少在他所處的時(shí)代，無(wú)人能夠比擬他在利用思維來研究實(shí)際實(shí)驗(yàn)無(wú)法觸及的領(lǐng)域的能力。
與物理實(shí)驗(yàn)不同，思想實(shí)驗(yàn)不會(huì)產(chǎn)生新的結(jié)果，但是它們一定能根據(jù)最初的假設(shè)推理得出確定的推論。
以下是愛因斯坦一些標(biāo)志性的思想實(shí)驗(yàn)，它們體現(xiàn)了他最具開創(chuàng)性的一些發(fā)現(xiàn)。
追逐光束
愛因斯坦在他的傳記中寫道：
… 我在 16 歲時(shí)就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)悖論，如果我以速度 c（真空中的光速）追逐一束光，我應(yīng)該觀察到這束光是一個(gè)靜止的電磁場(chǎng)，盡管它在空間上是振蕩的。然而，無(wú)論是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)還是根據(jù)麥克斯韋方程組，似乎都沒有這樣的現(xiàn)象。從一開始，我就憑直覺清楚地看到，從這樣一個(gè)觀察者的角度來判斷，一切都必須按照與相對(duì)地球靜止的觀察者相同的規(guī)律來進(jìn)行。那么第一個(gè)觀察者怎么知道或者說怎么確定自己處于快速勻速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)呢？在這個(gè)悖論中，我們看到了狹義相對(duì)論的萌芽。
換句話說，愛因斯坦的思想實(shí)驗(yàn)考慮的是以光速和一束光一起運(yùn)動(dòng)的情形。他推斷，如果這種情況可能存在，光束就會(huì)在時(shí)間上凍結(jié)，這就與麥克斯韋方程組相矛盾。然而，愛因斯坦最終得出結(jié)論光速是恒定的，光必須以 30 萬(wàn)千米每秒的速度傳播；而時(shí)間，并非光速，必須改變。
對(duì)隨光束運(yùn)動(dòng)的人來說，時(shí)鐘的轉(zhuǎn)動(dòng)是正常的。但是，對(duì)于光束以外的觀察者而言，運(yùn)動(dòng)的人的時(shí)鐘要慢得多，甚至有可能時(shí)間完全停止。
愛因斯坦關(guān)于狹義相對(duì)論的開創(chuàng)性的工作就來源于他 16 歲時(shí)的這一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。
電梯實(shí)驗(yàn)
這個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)啟發(fā)愛因斯坦在 1915 年提出了他最漂亮的廣義相對(duì)論，這是一個(gè)描述物質(zhì)和能量如何彎曲時(shí)空，時(shí)空彎曲又如何影響宇宙中物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的理論。
他指出，假設(shè)你發(fā)現(xiàn)自己待在一個(gè)懸浮在太空中的沒有窗戶的電梯里。如果電梯是靜止的，你會(huì)感受到和站在地面上一樣的重力，但是，如果有人在用繩子向上拉這個(gè)電梯，讓它加速上升，你在電梯里就會(huì)感到好像在被向下推。那么問題來了：上述感受是由重力引起的，還是由電梯的加速度引起的？顯然二者產(chǎn)生相同的結(jié)果，這個(gè)疑問讓愛因斯坦得出結(jié)論：重力和加速度確實(shí)是等效的。
這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)幫助愛因斯坦確立了等效原理，即重力效應(yīng)和加速度效應(yīng)是不可區(qū)分的。該原理后來成為廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)。
愛因斯坦在他 1920 年私人回憶錄中寫到：
1907 年，當(dāng)我忙于為《放射性與電子學(xué)年鑒》（Jahrbuch der Radioaktivit?t und Elektronik）撰寫我在狹義相對(duì)論方面的工作總結(jié)時(shí)，我產(chǎn)生了我這一生中最快樂的想法：引力場(chǎng)僅以和產(chǎn)生于電磁感應(yīng)的電場(chǎng)相類似的方式相對(duì)存在著。比如這樣一個(gè)例子：對(duì)于一個(gè)從屋頂自由落體的觀察者來說，在他下落的過程中 —— 至少在他的附近小范圍內(nèi) —— 是沒有引力場(chǎng)的。也就是說，如果這個(gè)觀察者放開任何物體，這些物體相對(duì)于他來說仍然處于靜止或者勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，與它們特殊的物理或化學(xué)性質(zhì)無(wú)關(guān)。因此觀察者有理由把自己的狀態(tài)解釋為“靜止”。
EPR 佯謬
愛因斯坦是舊量子力學(xué)的奠基人之一，但是他并不認(rèn)可這個(gè)理論衍生出的一些基本原理。他認(rèn)為量子力學(xué)理論是不完備的，一定存在一些潛在的物理實(shí)在是不能被量子力學(xué)的概率詮釋解釋的。他不喜歡不確定性原理，即一對(duì)物理量，比如坐標(biāo)和動(dòng)量、時(shí)間和能量不能被同時(shí)精確測(cè)量。一個(gè)物理量的測(cè)量結(jié)果越精確，另一個(gè)的測(cè)量誤差就越大。愛因斯坦反對(duì)不確定性原理，因?yàn)樗J(rèn)為不確定性原理意味著物理世界中缺乏決定論。
玻爾和愛因斯坦都是很聰明的人。愛因斯坦努力去證明量子力學(xué)是自相矛盾的，而玻爾則一直致力于推翻他的理論。但是在愛因斯坦的最后一次回?fù)糁?，他指出了一些非常深刻的、反直覺的、令人困惑但同時(shí)又令人興奮的點(diǎn)，以至于在 21 世紀(jì)初又吸引了一批理論物理學(xué)家。玻爾對(duì)愛因斯坦最后的一個(gè)大發(fā)現(xiàn) —— 糾纏 —— 的回應(yīng)是忽略它。
萊昂納德?蘇斯金德
EPR 佯謬是由阿爾伯特?愛因斯坦（Albert Einstein）、鮑里斯?波多爾斯基（Boris Podolsky）和納森?羅森（Nathan Rosen）在 1935 年的一篇論文中提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)旨在闡明作者所認(rèn)為的量子力學(xué)解釋存在的問題。
EPR 佯謬的基本觀點(diǎn)是，兩個(gè)相互糾纏的粒子中，一個(gè)粒子的狀態(tài)依賴于糾纏對(duì)中的另一個(gè)粒子的狀態(tài)，即使它們距離上相隔很遠(yuǎn)。例如，如果一個(gè)粒子是“自旋向上”，那么另一個(gè)粒子就是“自旋向下”，或者反過來。但是在測(cè)量之前，直至測(cè)量完成，我們都不知道任何一個(gè)粒子的自旋朝向。這看起來違背了定域性原理，即事件只能受到其直接環(huán)境的影響。
愛因斯坦、波多爾斯基和羅森認(rèn)為這種糾纏表明粒子之間一定存在某種瞬時(shí)交流（“幽靈般的超距作用”），這就在某種程度上違背了相對(duì)性原理，因?yàn)樗蚱屏斯馑俚南拗啤Ｋ麄兲岢鲞@個(gè)思想實(shí)驗(yàn)用以證明量子力學(xué)是不完備的，一定存在一些隱變量來決定粒子的行為。
然而，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)表明 EPR 佯謬是不正確的，糾纏并沒有違背相對(duì)性原理。
物理學(xué)家約翰?斯圖爾特?貝爾（John Stewart Bell, 1928-1990）在 1964 年提出了一個(gè)理論解釋了相互糾纏的粒子是如何交換信息的。這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)在 20 世紀(jì) 70 年代被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致表明愛因斯坦關(guān)于量子糾纏的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。
雙生子佯謬
愛因斯坦最有趣的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)就是“雙生子佯謬”，內(nèi)容是兩個(gè)雙胞胎，一個(gè)待在地球上，另一個(gè)以接近光速的速度在太空旅行。
根據(jù)相對(duì)論，時(shí)間是相對(duì)于觀察者的參考系而言的，這就意味著太空中的旅行者和他在地球上的兄弟經(jīng)歷的時(shí)間是不一樣的。
結(jié)果就是，當(dāng)旅行的那個(gè)雙胞胎回來的時(shí)候，他的年齡比留在地球上那位要小。這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)用一種很直觀的方式幫助我們?nèi)ダ斫鈺r(shí)間膨脹效應(yīng)。
總之，愛因斯坦的思想實(shí)驗(yàn)是他在物理學(xué)中提出新觀點(diǎn)、新理論的方法的關(guān)鍵組成部分，并且他的思想實(shí)驗(yàn)直到今天還在繼續(xù)被科學(xué)家和學(xué)者們研究。
作者：Areeba Merriam
翻譯：小聰
審校：藏癡
原文鏈接：einstein's best-known thought experiments
本文來自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Areeba Merriam
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