啟發愛因斯坦的五個瘋狂思想實驗

有一位年輕的女士叫光明，

她的速度比光還要快，

一天她出了門，

用相對的方法旅行，

在出行的前一夜回到了家門。

——A.H.R.Buller

阿爾伯特·愛因斯坦，19世紀最偉大的科學家之一。正是他的洞察力和物理直覺永遠改變了我們理解這個宇宙的方式。你可能熟悉E=mc2，也知道時間不再是絕對的，可能還知道他將引力和彎曲的時空聯繫起來。但是他最令人欽佩的是，他可以將一個極其複雜的概念用真實生活中的簡單情景來描述。他把這些情景稱為：Gedankenexperiments（德語中的思想實驗）。

這裡列出五個愛因斯坦最著名的五個思想實驗，它們都徹底地改寫了物理學的篇章。

【追，一束光】

愛因斯坦在16歲的時候就開始思考如果自己能追上一束光，他所看到的世界會有什麼變化嗎？

愛因斯坦推斷到，如果你通過某些方法追上一束光，你就會看到光在空間中被凍結了。但是光不可能在空間中被凍結了，否則它就不是光了。

最終愛因斯坦意識到，光不可能放慢自己的腳步，而且必須總是光速遠離他。所以，必須有其它的東西改變了。那是什麼改變了？愛因斯坦意識到是時間本身改變了，正是意識到時間並不是絕對的，才使愛因斯坦為狹義相對論的建立奠定了基礎。

【被閃電擊中的火車】

現在想像一下你正坐在一列很長的火車上，而你的好朋友在火車外跟你揮手道別。突然，有閃電擊中了車頭（A點）和車尾（B點），你的好朋友在正好處於火車的中間點（M）並同時看到了雷擊。現在的問題是，對於你好友來說是同時的兩個事件，對於你來說是否也是同時的呢？答案必然是否定的。

實際上，坐在火車中的你正在朝著來自A的光線急速前進，而遠離B點，因此你將先看到來自A的光線，後看見來自B發出的光線。

這個思想實驗向我們展示了對於運動中的觀測者和靜止中的觀測者來說，時間的流逝是不一樣的。愛因斯坦認為時間和空間都是相對的，這也是狹義相對論的基石。

【一個在地球，一個在飛船】

這個思想實驗也跟時間的流逝有關。想像你有一個雙胞胎，跟你幾乎是同時間出生的。但是在你的雙胞胎出生的那一刻，他或她就被轉移到了一架太空飛船，並且立即發射，以接近光的速度在宇宙中航行。

根據愛因斯坦的狹義相對論，你和你的雙胞胎的年紀將會大大的不同。由於接近光速中的時間流逝的更慢，因此你的雙胞胎會比你年輕的多。

當太空飛船回到地球上時，你早已經退休了，但是你的雙胞胎才剛要步入青春期。

【一個快樂的思想】

想像你正在遠離任何引力場的空間中懸浮在一個電梯內，並且無法知道在電梯以外發生的事情。突然，你就掉落在地板上。此刻，發生了什麼呢？你會認為是電梯被引力拉下來了嗎？還是覺得電梯正往上加速？

事實上，這兩種效應會產生同樣的結果。這使愛因斯坦宣告：在空間的一個足夠小的區域，一個觀察者感知的引力場的物理效應和另一個在沒有引力場的地方以均勻加速運動的觀察者感知的物理效應相同。換句話說，加速度可以「騙」你，讓你覺得是在引力場中。

回想一下愛因斯坦之前的結論：時間和空間並不是絕對的。如果運動可以影響時間和空間，而引力和加速度又是同一回事，這也意味著引力也可以影響時間和空間。

物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動。這就是廣義相對論。

【鬼魅般的超距作用】

愛因斯坦是量子力學的三大教父之一，但是他並不滿意量子力學的描述，認為理論不夠完備。因此他經常想出一些思想實驗來反駁量子理論。但也正是因為他的這些思想實驗不斷地挑戰了開創量子力學的物理學家們才使得量子理論逐漸地完善。

其中一個思想實驗跟「量子糾纏」有關，愛因斯坦稱之為「鬼魅般地超距作用」。

想像一下你有一枚兩面的硬幣，並且可以輕易的被分為兩半。你往上擲骰子，在不看結果前，把其中的一半給你的朋友，並且自己保留另一半。現在，你的朋友帶著另一半硬幣坐上宇宙飛船遠離地球。

現在你再看你手中的那半枚硬幣。你看到你手中的硬幣是正面的，你就立即可以知道在千萬光年外的朋友手中的那半枚是反面的。

現在你假設這些硬幣的狀態是不確定的，直到你觀測之前，正面和反面會不斷的交換。但是，一旦你知道了其中一枚的狀態（正面或反面），即使兩枚硬幣相隔的多麼遠，你也可以打破光速的限制，瞬時知道另一枚硬幣的狀態。

上個世紀，愛因斯坦的這些思想實驗（當然不止五個）引起了一場又一場的軒然大波，徹底改變了我們對宇宙的理解。為什麼他在同時代的科學家顯得尤為突出？我想你不會願意錯過原因，戳《宇宙故事的偉大締造者——愛因斯坦》。

【擴展閱讀】如果你想知道在相對論的世界中會發生什麼，建議閱讀伽莫夫的《物理世界奇遇記》，那將會是一趟奇幻的旅程；如果你不想局限於這些簡單的例子，想要更深刻的了解愛因斯坦是怎麼思考這些問題的，閱讀愛因斯坦所著的《狹義與廣義相對論淺說》；如果你想知道更多在數學上如何推導狹義和廣義相對論，建議閱讀梁燦彬的《從零學相對論》。

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