第8章 爱因斯坦的五个思想实验

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：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。

第一个思想实验是: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。

第二个思想实验是: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。

第三个思想实验是: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。

第四个思想实验是: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。

第五个思想实验是: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。

爱因斯坦的这些思想实验，彻底改变了我们对宇宙的理解，也让我们对大脑的作用有了崭新的认知，在对更宏大尺度事件的探索上，受限于实验仪器和实验条件时，大脑的思想实验可以打破限制，突破认知维度，让人类文明迈上新的高度。

暗物质的猜想

暗物质这事还得从1932年说起。当时荷兰有一位著名的天文学家叫作奥尔特，你可能听过“奥尔特云”这个词。他在极其有限的观测条件下，隐约发现一件事情不怎么对头，什么事情呢？就是银河系的自转似乎不太符合牛顿力学。

大家知道，太阳系以太阳为中心，好多行星绕着太阳转，离太阳越远的行星转得越慢，比如火星比地球距离太阳更远，它的一年就是687天，这个现象完全可以用牛顿的万有引力公式推导出来。但是奥尔特隐约发现，银河系外侧的恒星运动速度似乎与靠近银心的恒星运动速度没有什么大的差别。

这事就很奇怪了，难道对于整个银河系而言，牛顿的万有引力不适用了？这里我要说明一点，虽然爱因斯坦的广义相对论对牛顿的万有引力公式做出了修正，但并不是说牛顿的公式就错了，在计算太阳系行星的运转周期和整个银河系的自转规律时，对精度要求不是极高的话，牛顿的公式足够用了。

实际上，美国宇航局发射火星探测器也只需要用到牛顿公式，登陆误差仅仅是1秒钟而已，因此大家不要认为爱因斯坦“推翻”了牛顿，“推翻”这个词可不能随便用。即便再过1亿年，只要人类还生活在这个宇宙中，牛顿公式就依然会被频繁使用。

奥尔特的这个发现虽然发表了出来，但刚开始并没有引起太多人的注意，因为当时的观测条件确实很有限，连奥尔特本人也没有对此问题深究下去。不过，我们仍然要把个窥探到暗物质的荣誉颁给奥尔特。

又过了一年，1933年，在美国加州理工学院有一位叫作兹维基的年轻天文学家，正在着迷地研究后发座星系团。那一年他35岁，刚刚结婚。虽然兹维基并不知道前一年奥尔特的那个困惑，但他居然遇到了与奥尔特几乎相同的困惑。

兹维基看到自己的计算结果后，呆呆地出神，他也冒出了和奥尔特同样的一个疑问：难道牛顿定理在后发座星系团失效了？但他很快就想到，也许还有一个更合理的解释：会不会是在后发座星系团中存在着大量不发光的物质呢？这个解释听上去合理多了，而且后发座星系团距离地球足足有3.5亿光年之遥，有一些物质不发光，或者发光很微弱，在地球上根本观测不到，这也是很合理的。

于是，兹维基就在论文中猜测，在后发座星系团中包含大量暗物质，也就是不发光或者相对很暗的物质，而且这种物质占到了该星系团中物质总量的99%。这是“暗物质”这个词次出现在学术论文中，但兹维基并没有觉得这个猜测有多么了不起，或者根本就没有意识到，他无意中触碰到了一个宇宙的惊世之谜。