科学史上伟大的实验（科学史上著名的思想实验如何推动科学的发展）

学习知识要善于思考，思考，再思考。我就是靠这个方法成为科学家的。——爱因斯坦

每当我们说起爱因斯坦，很多人首先想到的就是：狭义相对论和广义相对论，E = mc^2，光电效应和量子纠缠。但是，这些理论并不是爱因斯坦留给我们最宝贵的科学财富，甚至他的大脑切片也没有增进我们对神经科学的理解。相反，爱因斯坦留给我们最宝贵的遗产只是一个简单的科学方法：Gedankenexperiment，德语的意思是“思想实验”。

包括爱因斯坦在内的，之前或之后的任何一位物理学家，他们在追求真理的过程中巧妙地运用了思想实验，思考了那些永远无法实际执行的实验，充分证明了人类思维的力量！按照这种思路，思想实验只是在大脑中进行的实验，这表明我们渺小的人类有能力通过逻辑推理就能推导出支配大自然的方程式。

在今天的理论物理学中思想实验很常见。如果一个理论的预测结果超出了现有实验技术所能测量的范围，但在理论上仍然属于可以通过实验测量的范围之内，我们通常就会用到思想实验来检验一个理论是否符合现实标准。思想实验可以将一个理论的预测能力推到极限，因此可以揭示理论的不一致性或新的预测效果。

EPR思想实验

著名的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森实验（EPR悖论）就是一个检验量子力学预测结果的思想实验，在这个实验中没有具体的实验工具，只有思想。在1935年题为《能认为量子力学对物理实在的描述是完全的吗》的论文论文中，三位物理学家指出，量子力学的标准哥本哈根解释有一个特殊的结果：它允许“纠缠”粒子的存在。

纠缠粒子的两个粒子之间具有相关的可测量特性（如：自旋特性）。这种相关性的存在意味着，只要两个粒子没有被测量，那么其中每一个粒子的值都是不确定的。例如，我们只要知道其中一个粒子自旋向上，另一个粒子必定自旋向下，反之亦然，但我们不知道哪个自旋态对应哪个粒子。其导致的结果是，如果我们测量其中一个粒子，另一个粒子的状态会立即改变。当我们测量到一个粒子自旋向上的时候，另一个粒子一定是自旋向下的，即使根据哥本哈根的解释，没一个粒子之前没有特定的自旋值。

爱因斯坦认为，这种远距离的“幽灵”行为根本不符合真实世界的现实性和局域性，肯定是无稽之谈，于是就导致了数十年的争论。约翰·斯图尔特·贝尔（John Stewart Bell）后来精确地量化了相互纠缠的粒子与经典粒子之间的关联程度。根据贝尔定理，量子纠缠可以违反一个约束经典关联的不等式。

贝尔定理的测试在最初的时候仍然只是思维实验。但在今天，我们已经可以通过实验来验证贝尔不等式，毫无疑问量子纠缠确实存在。而且它是现代量子通讯和量子计算技术的基础，在未来几代的领先技术很有可能就会建立在爱因斯坦、波多尔斯基和罗森的思想实验之上。

爱因斯坦的等效原理

另一个著名的思想实验是爱因斯坦的电梯加速实验。爱因斯坦认为，对于电梯里的观察者来说，不论你通过哪种方式测量，你都无法知道电梯的状态是静止在引力场中还是以恒定的加速度被拉起。这一等价原理意味着，在电梯中，引力的作用与没有引力时的加速度是相同的。这个等价原理被引入数学方程，就成为广义相对论的基础。爱因斯坦也喜欢用思想追逐光子，花了很长时间思考光子在火车和镜子之间的运动等等。

拉普拉斯恶魔

在爱因斯坦和量子力学出现之前，拉普拉斯设想了一个无所不知的“恶魔”能够测量宇宙中所有粒子的位置和速度。根据牛顿力学他得出的结论是正确的：这个被称为“拉普拉斯恶魔”的存在，将能够完美地预测未来所有时间内任何粒子的特性。拉普拉斯那时并不知道海森堡的测不准原理，也不知道混沌理论，这两种理论都破坏了微观世界的可预测性。然而，拉普拉斯的决定论思想影响巨大，并导致了机械宇宙的想法，以及我们对科学理论的理解通常是一个预测工具。

麦克斯韦妖

“拉普拉斯恶魔”并不是物理学中唯一著名的恶魔。麦克斯韦尔也想象了一个恶魔，一个能够根据粒子的速度将气体粒子分类的恶魔。麦克斯韦妖的任务是打开和关闭一扇连接两个盒子的小门，这两个盒子里气体的温度是一样的。每当一个快速粒子从右边靠近小门时，恶魔就会打开小门让快速粒子穿过进入左边的盒子。每当一个缓慢的粒子从右边靠近小门时，恶魔就会把门关上，不让其通过。这样导致的结果就是，左边盒子里的粒子平均能量和温度增加，整个系统的熵减小。因此，麦克斯韦妖似乎违反了热力学第二定律！

麦克斯韦妖让物理学家头疼了几十年，直到物理学家最终认识到，在测量、存储并最终删除信息时，麦克斯韦妖本身必须增加熵或使用能量。

黑洞信息丢失悖论

一个至今仍让理论物理学家头疼的思想实验就是黑洞信息丢失悖论。如果我们把广义相对论和量子场论结合起来，（这两个理论每一个都是非常成熟的理论）我们会得出一个结论：黑洞会蒸发。但是我们也会发现这个过程是不可逆的；黑洞的蒸发会永远地破坏信息，造成信息丢失。然而，这违背了量子力学态的时间反演属性，也就是信息守恒定律。如果你往黑洞里扔一个钱包进去，而黑洞逃逸出来的辐射不会携带任何有关钱包结构的信息。等黑洞蒸发完，任何落入黑洞内部的物质信息都会丢失。

因此我们在结合这两种理论时面临着逻辑上的不一致性，这也充分显示和相对论和量子力学的不协调性。对于黑洞信息丢失问题，科学家为解决这一问题设计了一个思维实验，通常想象有两个观察者（鲍勃和爱丽丝），其中一个跳进了黑洞，而另一个留在了外面。

目前最流行的解决方案之一是黑洞互补。1993年，李奥纳特·苏士侃提出的黑洞互补关系建立在思想实验的主要规则之上。黑洞外面的人可以通过复制信息来避免黑洞中的信息丢失，一份留给鲍勃，一份留给爱丽丝，并让物质信息既可以落入黑洞消失又可以在外保留。

爱因斯坦的思想实验对今天的理论物理学家产生了巨大的影响。爱因斯坦的思想是建立在真实实验的基础之上，他有迈克尔逊·莫利的实验来反驳以太；有水星的近日点进动；有普朗克辐射定律的测量。他给我们留下的最宝贵的科学财富就是思考科学的方法。

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