愛因斯坦的思想實驗

阿爾伯特·愛因斯坦（1879-1955）不僅是一位物理學家，還是一位真正的創新者，一位親手拆掉物理學大廈的人，他對科學的獨特態度是由深深的好奇心和想象力所決定的。他敢于質疑宇宙的基本規律，從而改變了我們對現實的理解。

愛因斯坦的思想實驗是他用來探索最復雜、最抽象概念的方法，也是他發展相對論的方法中關鍵的部分。

他不是第一個也不是最后一個在研究中進行思想實驗的人，但是，至少在他所處的時代，無人能夠比擬他在利用思維來研究實際實驗無法觸及的領域的能力。

與物理實驗不同，思想實驗不會產生新的結果，但是它們一定能根據最初的假設推理得出確定的推論。

以下是愛因斯坦一些標志性的思想實驗，它們體現了他最具開創性的一些發現。

追逐光束

愛因斯坦在他的傳記中寫道：

“我在16歲時就已經發現了一個悖論，如果我以速度c（真空中的光速）追逐一束光，我應該觀察到這束光是一個靜止的電磁場，盡管它在空間上是振蕩的。然而，無論是根據經驗還是根據麥克斯韋方程組，似乎都沒有這樣的現象。從一開始，我就憑直覺清楚地看到，從這樣一個觀察者的角度來判斷，一切都必須按照與相對地球靜止的觀察者相同的規律來進行。那么第一個觀察者怎么知道或者說怎么確定自己處于快速勻速運動的狀態呢？在這個悖論中，我們看到了狹義相對論的萌芽。”

換句話說，愛因斯坦的思想實驗考慮的是以光速和一束光一起運動的情形。他推斷，如果這種情況可能存在，光束就會在時間上凍結，這就與麥克斯韋方程組相矛盾。然而，愛因斯坦最終得出結論光速是恒定的，光必須以30萬千米每秒的速度傳播；而時間，并非光速，必須改變。

對隨光束運動的人來說，時鐘的轉動是正常的。但是，對于光束以外的觀察者而言，運動的人的時鐘要慢得多，甚至有可能時間完全停止。

愛因斯坦關于狹義相對論的開創性的工作就來源于他16歲時的這一個思想實驗。

電梯實驗

這個著名的思想實驗啟發愛因斯坦在1915年提出了他最漂亮的廣義相對論，這是一個描述物質和能量如何彎曲時空，時空彎曲又如何影響宇宙中物質運動的理論。

他指出，假設你發現自己待在一個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電梯，讓它加速上升，你在電梯里就會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？顯然二者產生相同的結果，這個疑問讓愛因斯坦得出結論：重力和加速度確實是等效的。

這個思想實驗幫助愛因斯坦確立了等效原理，即重力效應和加速度效應是不可區分的。該原理后來成為廣義相對論的基礎。

愛因斯坦在他1920年私人回憶錄中寫道：7fa13c73147ecf3f6f481dc58f08dfb1

“1907年，當我忙于為《放射性與電子學年鑒》撰寫我在狹義相對論方面的工作總結時，我產生了我這一生中最快樂的想法：引力場僅以和產生于電磁感應的電場相類似的方式相對存在著。比如這樣一個例子：對于一個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——是沒有引力場的。也就是說，如果這個觀察者放開任何物體，這些物體相對于他來說仍然處于靜止或者勻速運動狀態，與它們特殊的物理或化學性質無關。因此觀察者有理由把自己的狀態解釋為靜止。”

EPR佯謬

愛因斯坦是舊量子力學的奠基人之一，但是他并不認可這個理論衍生出的一些基本原理。他認為量子力學理論是不完備的，一定存在一些潛在的物理實在是不能被量子力學的概率詮釋解釋的。他不喜歡不確定性原理，即一對物理量，比如坐標和動量、時間和能量不能被同時精確測量。一個物理量的測量結果越精確，另一個的測量誤差就越大。愛因斯坦反對不確定性原理，因為他認為不確定性原理意味著物理世界中缺乏決定論。

哈佛大學的物理學教授萊昂納德·蘇斯金德認為：“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擊中，他指出了一些非常深刻的、反直覺的、令人困惑但同時又令人興奮的點，以至于在21世紀初又吸引了一批理論物理學家。玻爾對愛因斯坦最后的一個大發現——糾纏——的回應是忽略它。”

“EPR佯謬”是由阿爾伯特·愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基和納森·羅森在1935年的一篇論文中提出的一個思想實驗。這個實驗旨在闡明作者所認為的量子力學解釋存在的問題。

EPR佯謬的基本觀點是，兩個相互糾纏的粒子中，一個粒子的狀態依賴于糾纏對中的另一個粒子的狀態，即使它們距離上相隔很遠。例如，如果一個粒子是自旋向上，那么另一個粒子就是自旋向下，或者反過來。但是在測量之前，直至測量完成，我們都不知道任何一個粒子的自旋朝向。這看起來違背了定域性原理，即事件只能受到其直接環境的影響。

愛因斯坦、波多爾斯基和羅森認為這種糾纏表明粒子之間一定存在某種瞬時交流（“幽靈般的超距作用”），這就在某種程度上違背了相對性原理，因為它打破了光速的限制。他們提出這個思想實驗用以證明量子力學是不完備的，一定存在一些隱變量來決定粒子的行為。

然而，后續的實驗表明EPR佯謬是不正確的，糾纏并沒有違背相對性原理。

物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾在1964年提出了一個理論解釋了相互糾纏的粒子是如何交換信息的。這個思想實驗在20世紀70年代被實驗驗證，實驗結果一致表明愛因斯坦關于量子糾纏的觀點是錯誤的。

雙生子佯謬

愛因斯坦最有趣的一個思想實驗就是“雙生子佯謬”，內容是一對雙胞胎，一個待在地球上，另一個以接近光速的速度在太空旅行。

根據相對論，時間是相對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歷的時間是不一樣的。

結果就是，當旅行的那個雙胞胎回來的時候，他的年齡比留在地球上那位要小。這個思想實驗用一種很直觀的方式幫助我們去理解時間膨脹效應。

總之，愛因斯坦的思想實驗是他在物理學中提出新觀點、新理論的方法的關鍵組成部分，并且他的思想實驗直到今天還在繼續被科學家和學者們研究。

（默教授薦）