爱因斯坦的脑壳里都会想些啥？

所有真正高明的思想都已经历过成千上万次的思考，但是要让它们真正成为我们的思想，我们必须诚实地重新思考一遍，直到它们在我们的人生经历中生根发芽。

约翰・沃尔夫冈・冯・歌德

阿尔伯特・爱因斯坦（1879-1955）不仅是一位物理学家，还是一位真正的创新者，一位亲手拆掉物理学大厦的人，他对科学的独特态度是由深深的好奇心和想象力所决定的。他敢于质疑宇宙的基本规律，从而改变了我们对现实的理解。

爱因斯坦的思想实验（德文为 Gedankenexperimente）是他用来探索最复杂、最抽象概念的方法，也是他发展相对论的方法中关键的部分。

他不是第一个也不是最后一个在研究中进行思想实验的人，但是，至少在他所处的时代，无人能够比拟他在利用思维来研究实际实验无法触及的领域的能力。

与物理实验不同，思想实验不会产生新的结果，但是它们一定能根据最初的假设推理得出确定的推论。

以下是爱因斯坦一些标志性的思想实验，它们体现了他最具开创性的一些发现。

追逐光束

爱因斯坦在他的传记中写道：

… 我在 16 岁时就已经发现了一个悖论，如果我以速度 c（真空中的光速）追逐一束光，我应该观察到这束光是一个静止的电磁场，尽管它在空间上是振荡的。然而，无论是根据经验还是根据麦克斯韦方程组，似乎都没有这样的现象。从一开始，我就凭直觉清楚地看到，从这样一个观察者的角度来判断，一切都必须按照与相对地球静止的观察者相同的规律来进行。那么第一个观察者怎么知道或者说怎么确定自己处于快速匀速运动的状态呢？在这个悖论中，我们看到了狭义相对论的萌芽。

换句话说，爱因斯坦的思想实验考虑的是以光速和一束光一起运动的情形。他推断，如果这种情况可能存在，光束就会在时间上冻结，这就与麦克斯韦方程组相矛盾。然而，爱因斯坦最终得出结论光速是恒定的，光必须以 30 万千米每秒的速度传播；而时间，并非光速，必须改变。

对随光束运动的人来说，时钟的转动是正常的。但是，对于光束以外的观察者而言，运动的人的时钟要慢得多，甚至有可能时间完全停止。

爱因斯坦关于狭义相对论的开创性的工作就来源于他 16 岁时的这一个思想实验。

电梯实验

这个著名的思想实验启发爱因斯坦在 1915 年提出了他最漂亮的广义相对论，这是一个描述物质和能量如何弯曲时空，时空弯曲又如何影响宇宙中物质运动的理论。

他指出，假设你发现自己待在一个悬浮在太空中的没有窗户的电梯里。如果电梯是静止的，你会感受到和站在地面上一样的重力，但是，如果有人在用绳子向上拉这个电梯，让它加速上升，你在电梯里就会感到好像在被向下推。那么问题来了：上述感受是由重力引起的，还是由电梯的加速度引起的？显然二者产生相同的结果，这个疑问让爱因斯坦得出结论：重力和加速度确实是等效的。

这个思想实验帮助爱因斯坦确立了等效原理，即重力效应和加速度效应是不可区分的。该原理后来成为广义相对论的基础。

爱因斯坦在他 1920 年私人回忆录中写到：

1907 年，当我忙于为《放射性与电子学年鉴》（Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik）撰写我在狭义相对论方面的工作总结时，我产生了我这一生中最快乐的想法：引力场仅以和产生于电磁感应的电场相类似的方式相对存在着。比如这样一个例子：对于一个从屋顶自由落体的观察者来说，在他下落的过程中 -- 至少在他的附近小范围内 -- 是没有引力场的。也就是说，如果这个观察者放开任何物体，这些物体相对于他来说仍然处于静止或者匀速运动状态，与它们特殊的物理或化学性质无关。因此观察者有理由把自己的状态解释为"静止"。

EPR 佯谬

爱因斯坦是旧量子力学的奠基人之一，但是他并不认可这个理论衍生出的一些基本原理。他认为量子力学理论是不完备的，一定存在一些潜在的物理实在是不能被量子力学的概率诠释解释的。他不喜欢不确定性原理，即一对物理量，比如坐标和动量、时间和能量不能被同时精确测量。一个物理量的测量结果越精确，另一个的测量误差就越大。爱因斯坦反对不确定性原理，因为他认为不确定性原理意味着物理世界中缺乏决定论。

玻尔和爱因斯坦都是很聪明的人。爱因斯坦努力去证明量子力学是自相矛盾的，而玻尔则一直致力于推翻他的理论。但是在爱因斯坦的最后一次回击中，他指出了一些非常深刻的、反直觉的、令人困惑但同时又令人兴奋的点，以至于在 21 世纪初又吸引了一批理论物理学家。玻尔对爱因斯坦最后的一个大发现 -- 纠缠 -- 的回应是忽略它。

莱昂纳德・苏斯金德

EPR 佯谬是由阿尔伯特・爱因斯坦（Albert Einstein）、鲍里斯・波多尔斯基（Boris Podolsky）和纳森・罗森（Nathan Rosen）在 1935 年的一篇论文中提出的一个思想实验。这个实验旨在阐明作者所认为的量子力学解释存在的问题。

EPR 佯谬的基本观点是，两个相互纠缠的粒子中，一个粒子的状态依赖于纠缠对中的另一个粒子的状态，即使它们距离上相隔很远。例如，如果一个粒子是"自旋向上"，那么另一个粒子就是"自旋向下"，或者反过来。但是在测量之前，直至测量完成，我们都不知道任何一个粒子的自旋朝向。这看起来违背了定域性原理，即事件只能受到其直接环境的影响。

爱因斯坦、波多尔斯基和罗森认为这种纠缠表明粒子之间一定存在某种瞬时交流（"幽灵般的超距作用"），这就在某种程度上违背了相对性原理，因为它打破了光速的限制。他们提出这个思想实验用以证明量子力学是不完备的，一定存在一些隐变量来决定粒子的行为。

然而，后续的实验表明 EPR 佯谬是不正确的，纠缠并没有违背相对性原理。

物理学家约翰・斯图尔特・贝尔（John Stewart Bell, 1928-1990）在 1964 年提出了一个理论解释了相互纠缠的粒子是如何交换信息的。这个思想实验在 20 世纪 70 年代被实验验证，实验结果一致表明爱因斯坦关于量子纠缠的观点是错误的。

双生子佯谬

爱因斯坦最有趣的一个思想实验就是"双生子佯谬"，内容是两个双胞胎，一个待在地球上，另一个以接近光速的速度在太空旅行。

根据相对论，时间是相对于观察者的参考系而言的，这就意味着太空中的旅行者和他在地球上的兄弟经历的时间是不一样的。

结果就是，当旅行的那个双胞胎回来的时候，他的年龄比留在地球上那位要小。这个思想实验用一种很直观的方式帮助我们去理解时间膨胀效应。

总之，爱因斯坦的思想实验是他在物理学中提出新观点、新理论的方法的关键组成部分，并且他的思想实验直到今天还在继续被科学家和学者们研究。

作者：Areeba Merriam

翻译：小聪

审校：藏痴

原文链接：einstein's best-known thought experiments

本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Areeba Merriam