在物理學(xué)中，有一類特殊的實(shí)驗(yàn)：它們不需要購(gòu)置昂貴的儀器，需要的只是邏輯的大腦；而這種實(shí)驗(yàn)卻可以挑戰(zhàn)前人的結(jié)論，建立新的理論，甚至引發(fā)人們對(duì)世界的重新認(rèn)識(shí)，這就是思想實(shí)驗(yàn)。

歷史上的許多偉大物理學(xué)家，都曾設(shè)計(jì)過(guò)發(fā)人深思的思想實(shí)驗(yàn)，如伽利略、牛頓、愛因斯坦便是其中的代表，這些思想實(shí)驗(yàn)不僅對(duì)物理學(xué)的發(fā)展有著重要的作用，更是顛覆了人們對(duì)世界對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。下面介紹一下物理學(xué)史上幾個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)。

一、慣性原理

自從亞里士多德以來(lái)，人們一直以為力是運(yùn)動(dòng)的原因，沒有力作用的物體都將趨于靜止。直到伽利略提出了慣性原理，即一個(gè)不受任何外力（或者合外力為零）的物體將保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)。

設(shè)想一個(gè)豎直放置的字形光滑導(dǎo)軌，一個(gè)小球可以在上面無(wú)摩擦的滾動(dòng)。讓小球從左端往下滾動(dòng)，小球?qū)L到右邊的同樣高度。如果降低右側(cè)導(dǎo)軌的傾斜程度，小球仍然將滾動(dòng)到同樣高度，此時(shí)小球在水平方向上將滾得更遠(yuǎn)斜度越小，則小球?yàn)榱藵L到相同高度就必須滾得越遠(yuǎn)。

此時(shí)再設(shè)想右側(cè)導(dǎo)軌斜度不斷減小以至于降為水平，則根據(jù)前面的經(jīng)驗(yàn)，如果無(wú)摩擦力阻礙，小球?qū)?huì)一直滾動(dòng)下去，保持勻速直線運(yùn)動(dòng)。

在任何實(shí)際的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，因?yàn)槟Σ亮偸菬o(wú)法忽略，所以任何真實(shí)的實(shí)驗(yàn)都無(wú)法嚴(yán)格地證明慣性原理，這也正是古人沒有得出慣性原理的原因。然而思想實(shí)驗(yàn)就可以做到，僅僅通過(guò)日常經(jīng)驗(yàn)的外推就可以讓人們相信它的正確性。

二、兩個(gè)小球同時(shí)落地

受亞里士多德的影響，伽利略之前的人們認(rèn)為越重的物體下落得越快，而越輕的物體下落得越慢。伽利略為此做了著名的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)，其實(shí)在此之前伽利略已經(jīng)通過(guò)一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)證明了兩個(gè)小球必須同時(shí)落地：如果亞里士多德的論斷正確的話，那么不妨設(shè)想把一個(gè)重球和一個(gè)輕球綁在一起下落。

由于重的落得快而輕的落得慢輕球會(huì)拖拽著重球給它一個(gè)阻力讓它減速，因此兩個(gè)球的下落速度會(huì)介于重球和輕球下落速度之間。然而，如果把兩個(gè)球看成一個(gè)整體，則兩球總重量比重球的還大它應(yīng)當(dāng)下落得比重球單獨(dú)下落時(shí)更快。于是這兩個(gè)推論之間自相矛盾，亞里士多德的論斷錯(cuò)誤，兩個(gè)小球必須同時(shí)落地。

有了上述思想實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上兩個(gè)小球同時(shí)落地就已經(jīng)不僅是一個(gè)物理上成立的定律了，而是在邏輯上就必須如此。在這個(gè)例子中，思想實(shí)驗(yàn)起到了真實(shí)實(shí)驗(yàn)無(wú)法達(dá)到的作用。

三、牛頓的大炮

一門架在高山上的大炮以很高的速度向外水平地發(fā)射炮彈，炮彈速度越快，就會(huì)落到越遠(yuǎn)的地方。一旦速度足夠快，則炮彈就永遠(yuǎn)也不會(huì)落地，而是會(huì)繞著地球做周期性的運(yùn)動(dòng)。

牛頓的這一簡(jiǎn)單的思想實(shí)驗(yàn)，第一次讓人們認(rèn)識(shí)到，原來(lái)月球不會(huì)掉到地上來(lái)（也不會(huì)飛走）的原因，正是導(dǎo)致蘋果落地的引力。牛頓的引力理論促成了人們認(rèn)識(shí)上的一個(gè)飛躍：天上的東西并不“神圣”，它們和地上的物體一樣遵循相同的物理規(guī)律。

四、水桶實(shí)驗(yàn)

用長(zhǎng)繩吊一水桶，讓它旋轉(zhuǎn)至繩扭緊，然后將水注入，水與桶暫時(shí)都處于靜止中，這時(shí)顯然液面水平。再突然使桶反方向旋轉(zhuǎn)，剛開始的時(shí)候水面并未跟隨著運(yùn)動(dòng)，此時(shí)水面仍然水平。后來(lái)，桶逐漸把運(yùn)動(dòng)傳遞給水，使水也開始旋轉(zhuǎn)，就可以看到水漸漸離開其中心而沿桶壁上升形成凹面。

運(yùn)動(dòng)越快，水升得越高。倘若此時(shí)突然讓桶靜止，水由于慣性仍將旋轉(zhuǎn)，此時(shí)的液面仍為凹面。牛頓認(rèn)為，水面的下凹，不是由水對(duì)周圍的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的，而是由水的絕對(duì)的、真正的圓周運(yùn)動(dòng)造成的，因此由水面的下凹就可以判斷絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的存在。

這一思想實(shí)驗(yàn)是牛頓為了論證絕對(duì)空間的存在而設(shè)計(jì)出來(lái)的。然而牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀其實(shí)是錯(cuò)誤的，在100多年之后，這一謬誤才被哲學(xué)家兼物理學(xué)家馬赫所指出。馬赫認(rèn)為，水面的凹陷，并不是由于水相對(duì)于“絕對(duì)空間”的運(yùn)動(dòng)，而是由于相對(duì)宇宙間的所有其他物體的運(yùn)動(dòng)，這些其他所有物體通過(guò)引力對(duì)水施加了作用。

其中起決定性作用的物體則是遙遠(yuǎn)的天體，正是遙遠(yuǎn)的天體的“參考系拖拽”作用使得相對(duì)于它們旋轉(zhuǎn)的液面發(fā)生了凹陷。馬赫認(rèn)為并不存在絕對(duì)空間，所有參考系等價(jià)。倘若能夠使水面保持靜止，而讓所有遙遠(yuǎn)天體一同旋轉(zhuǎn)，按照馬赫的觀點(diǎn)，靜止水面也將產(chǎn)生凹液面。

五、奧伯斯佯謬

在20世紀(jì)的宇宙大爆炸理論提出之前，人們對(duì)于宇宙的認(rèn)識(shí)是樸素的：宇宙無(wú)限大、存在的時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)、宇宙處于穩(wěn)恒態(tài)、宇宙中的星體分布在大尺度上均勻。然而那時(shí)的人們不知道的是，從這四條基本假設(shè)卻可以邏輯地推出與事實(shí)明顯相悖的結(jié)論——奧伯斯佯謬：

如果宇宙是穩(wěn)恒和無(wú)限大的，時(shí)空是平直的，宇宙中均勻分布著同樣的發(fā)光體，由于發(fā)光體的照度與距離的平方成反比，而一定距離上球殼內(nèi)的發(fā)光體數(shù)目和距離的平方成正比，這樣就使得對(duì)全部發(fā)光體的照度的積分不收斂，黑夜的天空應(yīng)當(dāng)是無(wú)限亮的。

然而每天的黑夜總是如期降臨，天空并不是一直無(wú)限亮著。奧伯斯本人給出了一個(gè)解釋，他認(rèn)為宇宙中存在的塵埃、不發(fā)光的星體吸收了一部分光線。然而這個(gè)解釋是錯(cuò)誤的，因?yàn)楦鶕?jù)熱力學(xué)第一定律，能量必定守恒，故此中間的阻隔物會(huì)變熱而開始放出輻射，結(jié)果導(dǎo)致天上有均勻的輻射，溫度應(yīng)當(dāng)?shù)扔诎l(fā)光體表面的溫度即天空和星體一樣亮，然而事實(shí)上沒有觀察到這種現(xiàn)象。

直到宇宙大爆炸理論的提出，奧伯斯佯謬才迎刃而解。根據(jù)大爆炸理論，宇宙誕生于150億年前的一次大爆炸，到現(xiàn)在宇宙仍處在膨脹的過(guò)程當(dāng)中，因此，宇宙的存在時(shí)間便是有限的，并且并非處在穩(wěn)恒態(tài)。四條基本假設(shè)的兩條已經(jīng)不再成立，因此奧伯斯佯謬也自然被瓦解。

六、拉普拉斯妖

牛頓之后，經(jīng)典力學(xué)在描述世界上產(chǎn)生了巨大的成功，人們逐漸相信世界是可以用物理定律機(jī)械地描述的。拉普拉斯就比較極端地相信機(jī)械決定論，認(rèn)為世間萬(wàn)物（包括人類、社會(huì)）都逃不過(guò)確定的物理定律的掌控。他曾說(shuō)過(guò)“我們可以把宇宙現(xiàn)在的狀態(tài)視為其過(guò)去的果以及未來(lái)的因。

如果一個(gè)智能知道某一刻所有自然運(yùn)動(dòng)的力和所有自然構(gòu)成的物件的位置，假如他也能夠?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，那宇宙里最大的物體到最小的粒子的運(yùn)動(dòng)都會(huì)包含在一條簡(jiǎn)單公式中。對(duì)于這智者來(lái)說(shuō)沒有事物會(huì)是含糊的，而未來(lái)只會(huì)像過(guò)去般出現(xiàn)在他面前。”

拉普拉斯提到的“智能”，被后人稱之為“拉普拉斯妖”。倘若拉普拉斯妖是存在的，我們的命運(yùn)都會(huì)被物理定律和初始條件嚴(yán)格的定出。直到后來(lái)混沌理論和量子力學(xué)的發(fā)展，才證明了拉普拉斯妖的不可能存在。量子力學(xué)告訴我們，物理量都是有不確定性的，不可能無(wú)誤差地精確測(cè)量。

混沌理論則表明，只要涉及3個(gè)及更多的物體，初始條件的極其微小的差別將導(dǎo)致最后結(jié)果的千差萬(wàn)別。從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，拉普拉斯妖是基于經(jīng)典力學(xué)“可逆”過(guò)程的，然而真實(shí)的世界卻是滿足熱力學(xué)第二定律（熵增原理）的不可逆過(guò)程。

七、麥克斯韋妖

“落葉永離，覆水難收；愿破鏡之重圓，冀也無(wú)端；生米煮成熟飯，無(wú)可挽回……”這些都是熵增原理在實(shí)際生活中的反映，即任何孤立系統(tǒng)的不可逆過(guò)程熵（無(wú)序程度）總是在增加。然而當(dāng)年麥克斯韋卻曾提出過(guò)一個(gè)對(duì)熵增原理的詰難，令人非常困惑：

一個(gè)絕熱容器被分成相等的兩格，中間是由“麥克斯韋妖”控制的一扇小“門”，容器中的空氣分子做無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)向門上撞擊，“門”可以選擇性的將速度較快的分子放入一格，而較慢的分子放人另一格，這樣，其中的一格就會(huì)比另外一格溫度高，系統(tǒng)的熵降低了可以利用此溫差，驅(qū)動(dòng)熱機(jī)做功，而這是與熱力學(xué)第二定律相矛盾的。

對(duì)于這個(gè)詰難的反駁，并不是一件輕松的事情。有人以為麥克斯韋妖在打開、關(guān)閉門的時(shí)候需要消耗能量，這里產(chǎn)生的熵增會(huì)抵消掉系統(tǒng)熵的降低。然而開關(guān)門消耗的能量卻不是本質(zhì)的，它可以降低到足夠小。

對(duì)于麥克斯韋妖的真正解釋，直到20世紀(jì)才被揭開，直接引用趙凱華先生在《新概念力學(xué)·熱學(xué)》中的話“麥克斯韋妖有獲得和存儲(chǔ)分子運(yùn)動(dòng)信息的能力，它靠信息來(lái)干預(yù)系統(tǒng)，使它逆著自然界的方向進(jìn)行按現(xiàn)代的觀點(diǎn)，信息就是負(fù)熵，麥克斯韋妖將負(fù)熵輸入給系統(tǒng)，降低了它的熵。那么，麥克斯韋妖怎樣才能獲得所需的信息呢？

它必須有一個(gè)溫度與環(huán)境不同的微型光源去照亮分子，這就需要耗費(fèi)一定的能量，產(chǎn)生額外的熵。麥克斯韋妖正是以此為代價(jià)才獲得了所需的信息（即負(fù)熵）的，這額外熵的產(chǎn)生補(bǔ)償了系統(tǒng)里熵的減少?？偲饋?lái)說(shuō)，即使真有麥克斯韋妖存在，它的工作方式也不違反熱力學(xué)第二定律。”

八、雙生子佯謬

自從愛因斯坦提出狹義相對(duì)論以來(lái)，就受到了各種詰難，其中最著名的當(dāng)屬雙生子佯謬：在狹義相對(duì)論中，運(yùn)動(dòng)的參考系時(shí)間會(huì)變緩，即所謂的動(dòng)鐘變慢效應(yīng)。現(xiàn)在設(shè)想這樣一個(gè)情景有一對(duì)雙胞胎A和B，A留在地球上，B乘坐接近光速的飛船向宇宙深處飛去。飛船在飛出一段距離之后掉頭往回飛，最終降落回地球，兩兄弟見面。

現(xiàn)在問題來(lái)了：A認(rèn)為B在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候時(shí)間變慢，B應(yīng)當(dāng)比A年輕；而同樣地，在B看來(lái)，是A—直在運(yùn)動(dòng)，是A的時(shí)間變慢了，A應(yīng)當(dāng)比B年輕才是。那么兄弟倆究竟誰(shuí)更年輕呢？狹義相對(duì)論是否自相矛盾了？

事實(shí)上，理解雙生子佯謬的關(guān)鍵，是要清楚A和B的地位并不對(duì)等：兩人中只有B經(jīng)歷了加速過(guò)程，B在飛船掉頭的時(shí)候不可避免的要經(jīng)歷一次加速。因此，只有A才是處在狹義相對(duì)論成立的慣性系當(dāng)中，只有A的看法是正確的：當(dāng)兄弟倆見面時(shí)，B比A更年輕類似的效應(yīng)已經(jīng)被精密實(shí)驗(yàn)所證實(shí)了。

九、等效原理

我們都學(xué)了質(zhì)量的概念，然而事實(shí)上有兩種不同的質(zhì)量：慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量。慣性質(zhì)量是F=ma中的m，它是慣性大小的量度；引力質(zhì)量是F=GMm/r²中的m，它是引力大小的量度。中學(xué)里對(duì)兩者并不進(jìn)行區(qū)分，是因?yàn)檫@二者精確地相等。這一事實(shí)并不是理所當(dāng)然的，愛因斯坦正是通過(guò)這一神奇的事實(shí)，歸納出了廣義相對(duì)論的一個(gè)基本假設(shè)：等效原理。

設(shè)想一個(gè)處于自由空間（沒有引力作用）中的宇宙飛船，它以a=9.8m/s²的加速度做加速上升運(yùn)動(dòng)。倘若里面的人扔出一個(gè)小球，飛船上的觀察者看來(lái)，小球由于慣性將以a=9.8m/s²的加速度落地；而這正如一個(gè)處于引力場(chǎng)中的慣性系所表現(xiàn)的那樣。非慣性系中的慣性力正比于慣性質(zhì)量，而引力則正比于引力質(zhì)量。慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等這一事實(shí)，導(dǎo)致了慣性力與引力這兩種效應(yīng)無(wú)法區(qū)分。

愛因斯坦對(duì)弱等效原理進(jìn)一步推廣，對(duì)于一切物理過(guò)程（不僅僅是力學(xué)過(guò)程），自由空間中的加速運(yùn)動(dòng)參考系與引力作用下的慣性系，這二者在原則上完全不可區(qū)分，這就是強(qiáng)等效原理。他曾說(shuō)過(guò)：“引力場(chǎng)中一切物體都具有同一的加速度，這條定律也可表述為慣性質(zhì)量同引力質(zhì)量相等，它當(dāng)時(shí)就使我認(rèn)識(shí)到它的全部重要性。我為它的存在感到極為驚奇，并且猜想其中必有一把可以更深入了解慣性和引力的鑰匙。”

十、薛定諤貓

量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一薛定諤為了說(shuō)明量子力學(xué)并不完備而提出了著名的薛定諤貓佯謬：

把一只貓放進(jìn)一個(gè)封閉的盒子里，然后把這個(gè)盒子連接到一個(gè)包含一個(gè)放射性原子核和一個(gè)裝有有毒氣體的容器的實(shí)驗(yàn)裝置。設(shè)想這個(gè)放射性原子核在一個(gè)小時(shí)內(nèi)有的可能性發(fā)生衰變?nèi)绻l(fā)生衰變，它將會(huì)發(fā)射出一個(gè)粒子，而發(fā)射出的這個(gè)粒子將會(huì)觸發(fā)這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，打開裝有毒氣的容器，從而殺死這只貓。

根據(jù)量子力學(xué)，未進(jìn)行觀察時(shí)，這個(gè)原子核處于已衰變和未衰變的疊加態(tài)，貓則處在死和活的疊加態(tài)，即“既死又活”（而不是很多人誤解的“半死不活”、“要么死要么活”）。但是，如果在一個(gè)小時(shí)后把盒子打開，實(shí)驗(yàn)者只能看到“衰變的原子核和死貓”或者“未衰變的原子核和活貓”兩種情況?，F(xiàn)在的問題是：這個(gè)系統(tǒng)從什么時(shí)候開始不再處于兩種不同狀態(tài)的疊加態(tài)而成為其中的一種？在打開盒子觀察以前，這只貓是死了還是活著抑或既死又活？

微觀的量子力學(xué)效應(yīng)不能簡(jiǎn)單地放大到宏觀的日常生活，否則使得一切都變得十分詭異。對(duì)于薛定諤貓的具體解釋，涉及多種對(duì)量子力學(xué)的深刻哲學(xué)理解，在這里就不做更深人的討論了。