在物理學中，有一種特殊的實驗：它們不需要購買昂貴的儀器或大量的人力和物力。 他們所需要的只是一個邏輯大腦； 但這種實驗可以挑戰前人的結論并建立新的理論。 ，甚至引發人們重新思考對世界的認識。 這種實驗就是傳說中的思想實驗。 歷史上許多偉大的物理學家都設計過發人深省的思想實驗，包括伽利略、牛頓、愛因斯坦。 這些思想實驗不僅對物理學的發展起到了不可磨滅的作用，而且顛覆了人們對世界和宇宙的認識。 本文將從易到難介紹物理學史上幾個著名的思想實驗。
慣性原理
自亞里士多德時代以來，人們一直相信力是運動的原因。 如果沒有力的作用，物體的運動就會停止。 直到伽利略提出了下面這個著名的思想實驗，人們才知道了慣性原理——沒有任何外力（或總外力為0）的物體會保持靜止或勻速直線運動。 :
想象一下垂直放置的V形光滑導軌，一個小球可以在上面滾動而沒有摩擦。 讓球從左端滾下來，球會在右邊滾到同樣的高度。 如果降低右導軌的坡度，球仍會滾動到相同的高度。 這時，球會在水平方向上滾動得更遠。 斜率越小，球必須滾動得越遠才能到達相同的高度。 此時，想象右側導軌的斜度繼續減小，直至變為水平。 根據以往的經驗，如果沒有摩擦阻力，球就會繼續滾動并保持勻速直線運動。
在任何實際的實驗中，由于摩擦力都不能被忽略，所以任何真實的實驗都不能嚴格證明慣性原理。 這就是為什么古人沒有推導出慣性原理的原因。 然而，思想實驗是可以做的。 只要通過日常經驗的延伸，任何理性的人都可以相信慣性原理的正確性。 這個最簡單的思想實驗就足以體現思想實驗的邊緣了！
兩個球同時落地
伽利略之前的人們仍然受到亞里士多德的影響，認為較重的物體下落得更快，而較輕的物體下落得更慢。 大家都知道伽利略著名的比薩斜塔實驗，但很多人不知道的是，伽利略實際上通過思想實驗證明了兩個小球必須同時落地：
如果亞里士多德是對的，那么想象一個重球和一個輕球一起落下。 由于重的球下落得快，輕的球下落得慢，輕的球會拖拽重的球，并給它一個阻力，使其減慢速度。 因此，兩個球的下落速度應介于重球和輕球的下落速度之間。 但如果把兩個球作為一個整體考慮，總重量比重球大，應該比重球單獨下落要快。 所以這兩個推論是矛盾的。 亞里士多德的結論是錯誤的。 兩個球必須同時落地。
通過上述思想實驗，其實高中物理小球實驗，兩個小球同時落地不僅是物理上既定的規律，而且也是邏輯上的必然。 在這個例子中高中物理小球實驗，思想實驗起到了真實實驗無法達到的作用：即使在我們高中學到的牛頓引力理論不適用的情況下，兩個小球同時撞擊地面仍然是事實！ 稍后我會講廣義相對論中的等效原理。 這一思想實驗的邏輯必然性是愛因斯坦得出等效原理的關鍵因素。
牛頓大炮
如圖所示，一門安裝在高山上的大炮高速水平發射炮彈。 炮彈速度越快，下落的距離就越遠。 一旦速度足夠高，炮彈就永遠不會撞擊地面，而是會周期性地繞地球運動。
牛頓這個簡單的思想實驗，讓人們第一次認識到，月亮之所以不會落到地面（也不會飛走），正是引力導致了蘋果落到了地上！ 牛頓的萬有引力理論導致了人們認識的飛躍：天空中的事物并不“神圣”，它們與地面上的普通物體遵循同樣的規律。
桶實驗
用一根長繩子掛一個水桶，讓它旋轉英語作文，直到繩子拉緊，然后往里面倒水。 水和桶暫時靜止，液面明顯水平。 然后突然向相反方向旋轉鏟斗。 水面一開始并不跟隨運動。 此時水面仍是水平的。 但隨后，水桶逐漸將運動傳遞給水，導致水開始旋轉。 可以看到水逐漸離開中心，沿著桶壁上升，形成凹面。 運動越快，水升得越高。 如果此時水桶突然停止，水仍會因慣性而旋轉，此時液面仍會是凹形的。 牛頓認為，水面的凹度不是由水與周圍環境的相對運動造成的，而是由水的絕對的、真正的圓周運動造成的。 因此，可以從水面的凹凸程度來判斷絕對運動的存在。
這個思想實驗是牛頓設計的，旨在證明絕對空間的存在。 然而，眾所周知，牛頓的絕對時空觀實際上是錯誤的，這意味著這個思想實驗實際上是失敗的。 這個謬論在一百多年后被哲學家、物理學家馬赫指出。 馬赫認為，水面的凹陷并不是由于水相對于“絕對空間”的運動，而是由于宇宙中所有其他物體的運動，而這些其他物體通過重力對水施加了作用。 起決定性作用的天體是遙遠的天體。 正是遙遠天體的“參考系阻力”導致相對于它們旋轉的液體表面凹陷。 馬赫認為不存在絕對空間，所有參考系都是等效的。 如果水面可以保持靜止，所有遙遠的天體可以一起旋轉，按照馬赫的觀點，靜止的水面會產生凹形的液面。 我們顯然做不到這樣的實驗，但如果用一個幾公里厚的水桶來做上述水桶實驗，人們就無法確定牛頓對液面平整度和凹度的判斷。 。 后來，馬赫的觀點對愛因斯坦發明廣義相對論產生了決定性的影響。 馬赫原理本身也隨著廣義相對論的逐步證實而得到廣泛認可。
奧爾伯斯悖論
在20世紀大爆炸理論提出之前，人們對宇宙的認識很簡單：宇宙無限大，存在無限長的時間，宇宙處于穩定狀態，宇宙中的恒星均勻分布大范圍上。 然而，當時人們不知道的是，從這四個基本假設出發，可以從邏輯上推導出一個明顯與事實相反的結論——奧爾伯斯悖論：
如果宇宙是穩定的、無限的，時空是平坦的，那么相同的發光體均勻地分布在其中。 由于發光體的照度與距離的平方成反比，因此一定距離處球殼內發光體的數量就是距離的平方。 與此成正比，所有發光物體的照度積分并不收斂，夜空應該無限明亮。
然而，每天黑暗總是如期而至，天也不總是明亮的。 這說明我們之前對宇宙的認識存在問題。 奧爾伯斯本人也給出了解釋。 他認為宇宙中存在的塵埃和不發光的恒星吸收了部分光。 然而，這種解釋是錯誤的，因為根據熱力學第一定律，能量必須守恒，因此中間的勢壘會升溫并開始發出輻射。 這樣一來，天空中就會出現均勻的輻射，其溫度應該等于發光體表面的溫度，即天空像星星一樣明亮，但實際上并沒有觀察到這種現象。 直到大爆炸理論提出，奧爾伯斯悖論才得到解決。 根據大爆炸理論，宇宙是在150億年前的一次大爆炸中誕生的。 宇宙仍處于膨脹過程中。 因此，宇宙的存在時間是有限的，并且不是處于穩定狀態。 四個基本假設中有兩個不再成立，因此奧爾伯斯悖論自然被打破。
拉普拉斯的惡魔
牛頓之后的時代，經典力學在描述世界方面取得了巨大成功，人們逐漸相信可以用物理定律機械地描述世界。 拉普拉斯極端地相信機械決定論，認為世界上任何事物（包括人類和社會）都無法逃脫某些物理定律的控制。
“我們可以將宇宙的當前狀態視為其過去的影響和未來的原因。如果一個智慧知道所有自然運動的力量以及所有自然構成的物體在某一時刻的位置，并且如果他也能夠分析這些數據，那么宇宙中最大的物體到最小的粒子的運動都包含在一個簡單的公式中，對于這個智者來說，沒有什么是模棱兩可的，未來對他來說只是過去。” - 拉普拉斯。
拉普拉斯所說的“智能”，就是后人所說的“拉普拉斯妖”。 如果拉普拉斯惡魔存在，那這個世界就太可怕了：你我的所有行為都可以計算，我們的命運都嚴格由物理定律+初始條件決定。 沒有什么是無法計算的，那人生還有什么樂趣呢？ 幸運的是，混沌理論和量子力學的發展使得拉普拉斯妖不可能永遠存在。 量子力學告訴我們，物理量是不確定的，無法準確無誤地測量。 混沌理論表明，只要涉及三個或三個以上的物體，初始條件極小的差異就會導致最終結果的巨大差異。 從另一個角度來看，拉普拉斯妖是基于經典力學的可逆過程。 然而，真實系統確實滿足熱力學第二定律（熵增原理）的不可逆過程。 所以，世界依然充滿了不確定性和驚喜，人們也可以通過自己的主觀努力改變自己的命運。
麥克斯韋妖
中學時我們都學過熱力學第二定律（熵增原理）：孤立系統中不可逆過程的熵總是增加的。 “落葉永別，水不可復；死灰難復，破鏡無緣相聚；生命易老，返老還童只是一場。”幻想；生米熟了，不可逆……”這些都是熵增原理在現實生活中的反應，如今已經成為物理學中最牢不可破的原理之一。 然而，麥克斯韋曾經提??出了一個關于熵增原理的問題，非常令人困惑：
一個絕緣容器被分成兩個相等的隔間，中間有一扇由“麥克斯韋惡魔”控制的小“門”。 容器內的空氣分子在不規則的熱運動過程中會撞擊門。 “門”可以選擇性地打開。 將較快的分子放入一個網格中，將較慢的分子放入另一個網格中。 這樣，一個網格就會比另一個網格更熱，系統的熵就會減少。 這種溫差可以用來驅動熱機做功，這違背了熱力學第二定律。
駁斥這一挑戰并不是一件容易的事。 可能有人認為麥克斯韋妖在開關門時需要消耗能量，這里產生的熵的增加會抵消系統熵的減少。 然而，開關門所消耗的能量并不是必需的，它可以任意降低到足夠小的水平。 直到20世紀，麥克斯韋妖的真正解釋才被揭曉。 熵的問題一直很難理解，所以我直接引用了趙開華老師在《新概念力學·熱學》中的話：“麥克斯韋妖具有獲取和存儲分子運動信息的能力，它依靠信息來干預按照現代的觀點，信息就是負熵，麥克斯韋妖將負熵輸入到系統中，使其熵減少。那么，不同的微光源是如何獲得所需要的信息的呢？用于照亮分子，需要一定的能量并產生額外的熵，正是以這個代價，麥克斯韋妖獲得了所需的信息（即負熵），通過產生額外的熵來補償熵的減少。綜上所述，即使麥克斯韋妖確實存在，其工作方式也不違反熱力學第二定律。”
雙胞胎悖論
愛因斯坦的狹義相對論建立了一種全新的時空觀，這讓當時的人們難以接受。 因此，狹義相對論自提出以來就受到了各種批評，其中最著名的就是孿生佯謬。 但無論多么困難，狹義相對論都能給出完美的解釋，所有的悖論都被一一解決。 研究這些悖論可以加深對狹義相對論時空觀的理解。
在狹義相對論中，移動參考系的時間會減慢，這就是所謂的時鐘減慢效應。 現在想象這樣一個場景：有一對雙胞胎A和B。A留在地球上，B乘坐接近光速的宇宙飛船飛向宇宙深處。 飛船飛了一定距離后掉頭飛回來，最后降落在地球上，兩兄弟在那里相遇了。 現在問題來了：A認為B在移動的時候，時間變慢了，B應該比A年輕； 同樣，從B的角度來看，是A一直在移動，A的時間變慢了，A應該比B年輕。就是這樣。 那么兩兄弟中誰更年輕呢？ 狹義相對論是否自相矛盾？
事實上，理解孿生佯謬的關鍵是要明白A和B的地位是不平等的：兩者中只有B經歷了加速過程，而當飛船轉彎時，B必然會經歷加速。 因此，狹義相對論建立的慣性系中只有A，只有A的觀點是正確的：兩兄弟相遇時，B比A年輕。類似的效應已經被精密的實驗所證實。 其實只要我們用狹義相對論做詳細的計算，我們也可以從B的角度理解為什么B比A年輕，但這需要繁瑣的計算，這里不給出。 至此，我們可以有把握地說，狹義相對論在這個問題上并不存在矛盾。 但出去旅游的雙胞胎兄弟其實回來的時候還比較年輕。 這已經顛覆了大多數人的世界觀……但這就是事實，不信也得信！
等效原理
大家在中學都學過質量的概念，但實際上質量有兩種不同的類型：慣性質量和引力質量。 慣性質量為m，F=ma，是慣性大小的度量； 引力質量為m，單位為F=GMm/r^2，是引力大小的度量。 兩者之所以在中學時沒有區別，是因為它們完全相等。 這個事實并不是理所當然的，正是通過這個神奇的事實，愛因斯坦總結出了廣義相對論的一個基本假設：等效原理。
想象一下自由空間（無重力）中的航天器，它以a=9.8m/s^2的加速度沿直線加速。 如果里面的人扔一個小球，由于慣性，球會以9.8m/s^2的加速度落到地面； 這就像慣性系統在引力場中的表現一樣。 非慣性系中的慣性力與慣性質量成正比，而引力則與引力質量成正比。 慣性質量和引力質量相等的事實使得慣性力和引力的兩種作用無法區分。 這就是弱等效原理。 愛因斯坦進一步提出，對于所有物理過程（不僅僅是機械過程）來說，自由空間中的加速運動參考系和重力作用下的慣性系在原理上是完全無法區分的。 這是強等價。 原則。
“引力場中的所有物體都具有相同的加速度。這個定律也可以表述為慣性質量等于引力質量。它讓我當時意識到了它的全部重要性。我對它的存在感到極其驚訝，并猜測有一定是加深理解慣性和重力的關鍵。” - 愛因斯坦。
薛丁娥的貓
薛定諤的貓可能是物理學界最著名的虛構動物。 它是由量子力學創始人之一薛定諤提出的，用來說明量子力學是不完備的：
一只貓被放在一個封閉的盒子里，盒子與一個裝有放射性核和有毒氣體容器的實驗裝置相連。 想象一下，這個放射性核有 50% 的幾率在一小時內衰變。 如果它腐爛了，就會發射出粒子??，發射出的粒子會觸發實驗裝置，打開裝有有毒氣體的容器，從而殺死貓。 根據量子力學，在不進行觀察的情況下，原子核處于衰變與未衰變的疊加狀態，貓處于死與活的疊加狀態，即“既死又活”（而不是“半死不活”） ”或“半死”或“活著”，正如許多人所誤解的那樣）。 “死或生”）。 然而，如果一個小時后打開盒子，實驗者只能看到兩種情況：“衰變的原子核和死貓”或“未衰變的原子核和活貓”。 現在的問題是：這個系統什么時候不再處于兩種不同狀態的疊加而成為其中之一？ 在打開盒子觀察之前，貓是死了、活著還是兩者皆有？ 這個實驗的初衷是為了證明，如果沒有對波函數的塌縮和這只貓的狀態做出合理的解釋，量子力學本身就是不完整的。
薛定諤的貓是物理學家的噩夢。 它將微觀的量子力學效應放大到宏觀的日常生活中，讓一切變得非常詭異。 對薛定諤貓的解釋涉及到量子力學的多種深刻的哲學理解，本文不再詳述。