學習知識要善于思考，思考，再思考。我就是靠這個方法成為科學家的。——愛因斯坦

每當我們說起愛因斯坦，很多人首先想到的就是：狹義相對論和廣義相對論，E = mc^2，光電效應和量子糾纏。但是，這些理論并不是愛因斯坦留給我們最寶貴的科學财富，甚至他的大腦切片也沒有增進我們對神經科學的理解。相反，愛因斯坦留給我們最寶貴的遺産隻是一個簡單的科學方法：Gedankenexperiment，德語的意思是“思想實驗”。

包括愛因斯坦在内的，之前或之後的任何一位物理學家，他們在追求真理的過程中巧妙地運用了思想實驗，思考了那些永遠無法實際執行的實驗，充分證明了人類思維的力量！按照這種思路，思想實驗隻是在大腦中進行的實驗，這表明我們渺小的人類有能力通過邏輯推理就能推導出支配大自然的方程式。

在今天的理論物理學中思想實驗很常見。如果一個理論的預測結果超出了現有實驗技術所能測量的範圍，但在理論上仍然屬于可以通過實驗測量的範圍之内，我們通常就會用到思想實驗來檢驗一個理論是否符合現實标準。思想實驗可以将一個理論的預測能力推到極限，因此可以揭示理論的不一緻性或新的預測效果。

EPR思想實驗

著名的愛因斯坦-波多爾斯基-羅森實驗（EPR悖論）就是一個檢驗量子力學預測結果的思想實驗，在這個實驗中沒有具體的實驗工具，隻有思想。在1935年題為《能認為量子力學對物理實在的描述是完全的嗎》的論文論文中，三位物理學家指出，量子力學的标準哥本哈根解釋有一個特殊的結果：它允許“糾纏”粒子的存在。

糾纏粒子的兩個粒子之間具有相關的可測量特性（如：自旋特性）。這種相關性的存在意味着，隻要兩個粒子沒有被測量，那麼其中每一個粒子的值都是不确定的。例如，我們隻要知道其中一個粒子自旋向上，另一個粒子必定自旋向下，反之亦然，但我們不知道哪個自旋态對應哪個粒子。其導緻的結果是，如果我們測量其中一個粒子，另一個粒子的狀态會立即改變。當我們測量到一個粒子自旋向上的時候，另一個粒子一定是自旋向下的，即使根據哥本哈根的解釋，沒一個粒子之前沒有特定的自旋值。

愛因斯坦認為，這種遠距離的“幽靈”行為根本不符合真實世界的現實性和局域性，肯定是無稽之談，于是就導緻了數十年的争論。約翰·斯圖爾特·貝爾（John Stewart Bell）後來精确地量化了相互糾纏的粒子與經典粒子之間的關聯程度。根據貝爾定理，量子糾纏可以違反一個約束經典關聯的不等式。

貝爾定理的測試在最初的時候仍然隻是思維實驗。但在今天，我們已經可以通過實驗來驗證貝爾不等式，毫無疑問量子糾纏确實存在。而且它是現代量子通訊和量子計算技術的基礎，在未來幾代的領先技術很有可能就會建立在愛因斯坦、波多爾斯基和羅森的思想實驗之上。

愛因斯坦的等效原理

另一個著名的思想實驗是愛因斯坦的電梯加速實驗。愛因斯坦認為，對于電梯裡的觀察者來說，不論你通過哪種方式測量，你都無法知道電梯的狀态是靜止在引力場中還是以恒定的加速度被拉起。這一等價原理意味着，在電梯中，引力的作用與沒有引力時的加速度是相同的。這個等價原理被引入數學方程，就成為廣義相對論的基礎。愛因斯坦也喜歡用思想追逐光子，花了很長時間思考光子在火車和鏡子之間的運動等等。

拉普拉斯惡魔

在愛因斯坦和量子力學出現之前，拉普拉斯設想了一個無所不知的“惡魔”能夠測量宇宙中所有粒子的位置和速度。根據牛頓力學他得出的結論是正确的：這個被稱為“拉普拉斯惡魔”的存在，将能夠完美地預測未來所有時間内任何粒子的特性。拉普拉斯那時并不知道海森堡的測不準原理，也不知道混沌理論，這兩種理論都破壞了微觀世界的可預測性。然而，拉普拉斯的決定論思想影響巨大，并導緻了機械宇宙的想法，以及我們對科學理論的理解通常是一個預測工具。

麥克斯韋妖

“拉普拉斯惡魔”并不是物理學中唯一著名的惡魔。麥克斯韋爾也想象了一個惡魔，一個能夠根據粒子的速度将氣體粒子分類的惡魔。麥克斯韋妖的任務是打開和關閉一扇連接兩個盒子的小門，這兩個盒子裡氣體的溫度是一樣的。每當一個快速粒子從右邊靠近小門時，惡魔就會打開小門讓快速粒子穿過進入左邊的盒子。每當一個緩慢的粒子從右邊靠近小門時，惡魔就會把門關上，不讓其通過。這樣導緻的結果就是，左邊盒子裡的粒子平均能量和溫度增加，整個系統的熵減小。因此，麥克斯韋妖似乎違反了熱力學第二定律！

麥克斯韋妖讓物理學家頭疼了幾十年，直到物理學家最終認識到，在測量、存儲并最終删除信息時，麥克斯韋妖本身必須增加熵或使用能量。

黑洞信息丢失悖論

一個至今仍讓理論物理學家頭疼的思想實驗就是黑洞信息丢失悖論。如果我們把廣義相對論和量子場論結合起來，（這兩個理論每一個都是非常成熟的理論）我們會得出一個結論：黑洞會蒸發。但是我們也會發現這個過程是不可逆的；黑洞的蒸發會永遠地破壞信息，造成信息丢失。然而，這違背了量子力學态的時間反演屬性，也就是信息守恒定律。如果你往黑洞裡扔一個錢包進去，而黑洞逃逸出來的輻射不會攜帶任何有關錢包結構的信息。等黑洞蒸發完，任何落入黑洞内部的物質信息都會丢失。

因此我們在結合這兩種理論時面臨着邏輯上的不一緻性，這也充分顯示和相對論和量子力學的不協調性。對于黑洞信息丢失問題，科學家為解決這一問題設計了一個思維實驗，通常想象有兩個觀察者（鮑勃和愛麗絲），其中一個跳進了黑洞，而另一個留在了外面。

目前最流行的解決方案之一是黑洞互補。1993年，李奧納特·蘇士侃提出的黑洞互補關系建立在思想實驗的主要規則之上。黑洞外面的人可以通過複制信息來避免黑洞中的信息丢失，一份留給鮑勃，一份留給愛麗絲，并讓物質信息既可以落入黑洞消失又可以在外保留。

愛因斯坦的思想實驗對今天的理論物理學家産生了巨大的影響。愛因斯坦的思想是建立在真實實驗的基礎之上，他有邁克爾遜·莫利的實驗來反駁以太；有水星的近日點進動；有普朗克輻射定律的測量。他給我們留下的最寶貴的科學财富就是思考科學的方法。

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