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启发爱因斯坦的五个疯狂思想实验

2016-08-08  残云伴鹤归

有一位年轻的女士叫光明,

她的速度比光还要快,

一天她出了门,

用相对的方法旅行,

在出行的前一夜回到了家门。

——A.H.R.Buller


阿尔伯特·爱因斯坦,19世纪最伟大的科学家之一。正是他的洞察力和物理直觉永远改变了我们理解这个宇宙的方式。你可能熟悉E=mc2,也知道时间不再是绝对的,可能还知道他将引力和弯曲的时空联系起来。但是他最令人钦佩的是,他可以将一个极其复杂的概念用真实生活中的简单情景来描述。他把这些情景称为:Gedankenexperiments(德语中的思想实验)。


这里列出五个爱因斯坦最著名的五个思想实验,它们都彻底地改写了物理学的篇章。


【追,一束光】




爱因斯坦在16岁的时候就开始思考如果自己能追上一束光,他所看到的世界会有什么变化吗?


爱因斯坦推断到,如果你通过某些方法追上一束光,你就会看到光在空间中被冻结了。但是光不可能在空间中被冻结了,否则它就不是光了。


最终爱因斯坦意识到,光不可能放慢自己的脚步,而且必须总是光速远离他。所以,必须有其它的东西改变了。那是什么改变了?爱因斯坦意识到是时间本身改变了,正是意识到时间并不是绝对的,才使爱因斯坦为狭义相对论的建立奠定了基础。


【被闪电击中的火车】




现在想象一下你正坐在一列很长的火车上,而你的好朋友在火车外跟你挥手道别。突然,有闪电击中了车头(A点)和车尾(B点),你的好朋友在正好处于火车的中间点(M)并同时看到了雷击。现在的问题是,对于你好友来说是同时的两个事件,对于你来说是否也是同时的呢?答案必然是否定的。


实际上,坐在火车中的你正在朝着来自A的光线急速前进,而远离B点,因此你将先看到来自A的光线,后看见来自B发出的光线。


这个思想实验向我们展示了对于运动中的观测者和静止中的观测者来说,时间的流逝是不一样的。爱因斯坦认为时间和空间都是相对的,这也是狭义相对论的基石。


【一个在地球,一个在飞船】




这个思想实验也跟时间的流逝有关。想象你有一个双胞胎,跟你几乎是同时间出生的。但是在你的双胞胎出生的那一刻,他或她就被转移到了一架太空飞船,并且立即发射,以接近光的速度在宇宙中航行。


根据爱因斯坦的狭义相对论,你和你的双胞胎的年纪将会大大的不同。由于接近光速中的时间流逝的更慢,因此你的双胞胎会比你年轻的多。


当太空飞船回到地球上时,你早已经退休了,但是你的双胞胎才刚要步入青春期。


【一个快乐的思想】




想象你正在远离任何引力场的空间中悬浮在一个电梯内,并且无法知道在电梯以外发生的事情。突然,你就掉落在地板上。此刻,发生了什么呢?你会认为是电梯被引力拉下来了吗?还是觉得电梯正往上加速?


事实上,这两种效应会产生同样的结果。这使爱因斯坦宣告:在空间的一个足够小的区域,一个观察者感知的引力场的物理效应和另一个在没有引力场的地方以均匀加速运动的观察者感知的物理效应相同。换句话说,加速度可以“骗”你,让你觉得是在引力场中。


回想一下爱因斯坦之前的结论:时间和空间并不是绝对的。如果运动可以影响时间和空间,而引力和加速度又是同一回事,这也意味着引力也可以影响时间和空间。


物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。这就是广义相对论。


【鬼魅般的超距作用】




爱因斯坦是量子力学的三大教父之一,但是他并不满意量子力学的描述,认为理论不够完备。因此他经常想出一些思想实验来反驳量子理论。但也正是因为他的这些思想实验不断地挑战了开创量子力学的物理学家们才使得量子理论逐渐地完善。


其中一个思想实验跟“量子纠缠”有关,爱因斯坦称之为“鬼魅般地超距作用”。


想象一下你有一枚两面的硬币,并且可以轻易的被分为两半。你往上掷骰子,在不看结果前,把其中的一半给你的朋友,并且自己保留另一半。现在,你的朋友带着另一半硬币坐上宇宙飞船远离地球。


现在你再看你手中的那半枚硬币。你看到你手中的硬币是正面的,你就立即可以知道在千万光年外的朋友手中的那半枚是反面的。


现在你假设这些硬币的状态是不确定的,直到你观测之前,正面和反面会不断的交换。但是,一旦你知道了其中一枚的状态(正面或反面),即使两枚硬币相隔的多么远,你也可以打破光速的限制,瞬时知道另一枚硬币的状态。



上个世纪,爱因斯坦的这些思想实验(当然不止五个)引起了一场又一场的轩然大波,彻底改变了我们对宇宙的理解。为什么他在同时代的科学家显得尤为突出?我想你不会愿意错过原因,戳《宇宙故事的伟大缔造者——爱因斯坦》。


【扩展阅读】如果你想知道在相对论的世界中会发生什么,建议阅读伽莫夫的《物理世界奇遇记》,那将会是一趟奇幻的旅程;如果你不想局限于这些简单的例子,想要更深刻的了解爱因斯坦是怎么思考这些问题的,阅读爱因斯坦所著的《狭义与广义相对论浅说》;如果你想知道更多在数学上如何推导狭义和广义相对论,建议阅读梁灿彬的《从零学相对论》


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