物理学中十大著名的思想实验

在物理学中，有一类特别的实行：它们不需求置办昂贵的仪器，不需求洪量的人力物力，需求的不过有逻辑的大脑；而这类实行却也许挑战古人的论断，创立新的理论，及至引起人们对天下明白的从新思索。这类实行即是传闻中的头脑实行。史册上的很多庞大物理学家，都曾策画过发人覃思的头脑实行，伽利略、牛顿、爱因斯坦即是此中的代表，这些头脑实行不只对物理学的进展有着不成消逝的影响，更是倾覆了人们对天下对六合的明白。这篇文章将从易到难地先容一下物理学史册上的几个有名头脑实行。

1.惯性道理

　　自从亚里士多德时期以来，人们连续觉得力是行动的起源，没有力的影响物体的行动城市停止。直到伽利略提议了底下这一个一目了然的头脑实行，人们才懂得了惯性道理——一个不受任何外力(或许合外力为0)的物体将维持停止或匀速直线行动。

　　#实行#假想一个一个竖直安插的V字形润滑导轨，一个小球也许在上头无冲突的转动。让小球从左端往下转动，小球将滚到右边的同样高度。如果低沉右边导轨的斜率，小球仍旧将转动到同样高度，此时小球在程度方位大将滚得更远。斜率越小，则小球为了滚到不异高度就必需滚得越远。此时再假想右边导轨斜率连续低沉及至于降为程度，则依据前方的阅历，如果无冲突力障碍，小球将会连续转动下去，维持匀速直线行动。

　　在职何实践的实行之中，由于冲突力老是没法粗心，因此任何确凿的实行都没法老成地表明惯性道理，这也恰是昔人没有得出惯性道理的起源。但是头脑实行就也许做到，只是经过平时阅历的蔓延就也许让任何一个理性的人笃信惯性道理的无误性，这一最浅显的头脑实行足以显示出头脑实行的锋铓！

2.两个小球同时落地

　　还是受亚里士多德的影响，伽利略曩昔的人们觉得越重的物体下降越快，而越轻的物体下降越慢。伽利略在比萨斜塔上的有名实行人尽皆知，然而很多人不懂得的是，其确凿这曩昔伽利略曾经经过一个头脑实行表懂得两个小球必需同时落地：

　　#实行#如果亚里士多德的论断是对的话，那末也许假想把一个重球和一个轻球绑在一齐下降。由于重的落得快而轻的落得慢，轻球会拖拽住重球给它一个阻力让它延缓，因此俩球的下降速率理当会介于重球和轻球下降速率之间。但是，如果把两个球当做一个全部，则总分量大于重球，它理当下降得比重球独自下降时更快的。因而这两个推广之间自相抵牾，亚里士多德的论断差错，两个小球必需同时落地。

　　有了上述头脑实行，实践上两个小球同时落地就曾经不不过一个物理上创立的定律了，而是在逻辑上就必需这样。在这个例子中，头脑实行起到了确凿实行没法到达的影响：纵然在咱们高中所学的牛顿引力理论不合用的景遇，两个小球同时落地仍然是创立的！背面我会讲到广义相对论中的等效道理，这个头脑实行在逻辑上的必定创立是爱因斯坦归纳出等效道理的关键成分。

3.牛顿的大炮

　　#实行#如图，一门架在高山上的大炮以很高的速率向外程度地发射炮弹，炮弹速率越快，就会落到越远的处所。一旦速率充实快，则炮弹就永久也不会落地，而是会绕着地球做周期性的行动。

　　牛顿的这一浅显的头脑实行，第一次让人们明白到，平昔月球不会掉到地上来（也不会飞走）的起源，恰是致使苹果落地的引力！牛顿的引力理论促成了人们明白上的一个奔腾：天上的东西并不“圣洁”，他们遵守的规律和地上的平常物体全部一致。

4.水桶实行

　　#实行#用长绳吊一水桶，让它转动至绳扭紧，而后将水注入，水与桶姑且都处于停止中，这时显然液面程度。再猛然使桶反方位转动，刚开端的时光水面并未随从着行动，此时水面仍旧程度。不过后来，桶逐步把行动传播给水，使水也开端转动，就也许看到水垂垂离开此中间而沿桶壁高涨产生凹面。行动越快，水升的越高。如果此时猛然让桶停止，水由于惯性仍将转动，此时的液面仍为凹面。牛顿觉得，水面的下凹，不是由水对四周的相对行动产生的，而是由水的绝对的、真实的圆周行动产生的，因此由水面的下凹就也许判隔绝对行动的存在。

　　这一头脑实行，是牛顿为了论证绝对空间的存在而策画出来的。但是，一目了然，牛顿的绝对时空观原本是差错的，也即是说这一头脑实行原本是个失利的例子。这一不对，在多年以后才被哲学家兼物理学家马赫所指出。马赫觉得，水面的凹下，并不是由于水相对于“绝对空间”的行动，而是由于相对六合间的悉数其余物体的行动，这些其余悉数物体经过引力对水施加了影响。此中起决计性影响的物体则是边远的天体，恰是边远的天体的“参考系拖拽”影响使得相对于它们转动的液面产生了凹下。马赫觉得并不存在绝对空间，悉数参考系等价。如果也许使水面维持停止，而让悉数边远天体一齐转动，遵照马赫的意见，停止水面将产生凹液面。咱们显然没法做云云的实行，不过如果用几千米厚的水桶做上头的水桶实行，则人们便不能确定牛顿对液面的平凹的判定了。。后来，马赫的意见对爱因斯坦首创广义相对论产生了决计性的影响，马赫道理本人也跟着广义相对论的逐步阐明而获患有普遍认同。

5.奥伯斯佯谬

　　在20世纪的六合大爆炸理论提议曩昔，人们对于六合的明白是俭仆的：六合无穷大、存在的时光无穷长、六合处于稳恒态、六合中的星体散布在大法式上平均。但是那时的人们不懂得的是，从这四条根本假使却也许逻辑地推出与本相显然相悖的论断——奥伯斯佯谬：

　　#实行#如果六合是稳恒，无穷大，时空笔直的，此中平均散布着同样的发光体，由于发光体的照度与间隔的平方成反比，而必定间隔上球壳内的发光体数量和间隔的平方成正比，云云就使得对全数发光体的照度的积分不抑制，夜间的天空理当是无穷亮的。

　　但是天天的夜间老是依期光降，天空并不是连续无穷亮着。这就诠释曩昔咱们对六合的明白存在题目。奥伯斯本人给出了一个诠释，他觉得六合中存在的灰尘、不发光的星体摄取了一部份光线。但是这个诠释是差错的，由于依据热力学第必定律，能量必定守恒，故此中间的屏绝物会变热而开端放出辐射，结局致使天上有平均的辐射，温度理当即是发光体表面的温度，也即天空和星体同样亮，但是本相上没有窥察到这类形势。直到六合大爆炸理论的提议，奥伯斯佯谬才瓜熟蒂落。依据大爆炸理论，六合出生于亿年前的一个大爆炸，到如今六合仍处在膨胀的经过之中，因此，六合的存在时光即是有限的，而且并非处在稳恒态。四条根本假使的两条曾经不再创立，因此奥伯斯佯谬也果然被崩溃。

6.拉普拉斯妖

　　牛顿以后的时期，典范力学在刻画天下上产生了庞大的胜利，人们逐步的笃信天下是也许用物理定律板滞地刻画的。对比极其地，拉普拉斯就笃信板滞决计论，觉得人间万物（包罗人类、社会）都逃不过断定的物理定律的把握。

　　#实行#“咱们也许把六合如今的形态视为其往时果以及将来的因。如果一个智能懂得某一刻悉数果然行动的力和悉数果然组成的物件的地位，要是他也也许对这些数据实行剖析，那六合里最大的物体到最小的粒子的行动城市包罗在一条浅显公式中。对于这智者来讲没有事物会是含糊的，而将来只会像往时般呈如今他当前。”——拉普拉斯

　　拉普拉斯提到的“智能”，即是后代所称的“拉普拉斯妖”。如果拉普拉斯妖是存在的，那这个天下也太恐慌了：你我的举动全数均也许经过谋划得出，咱们的运道也全都被物理定律+初始前提老成的定出了，没有甚么会是谋划除外的，那生计尚有甚么兴趣可言！运气的是，混沌理论和量子力学的进展，让拉普拉斯妖永久也不成能存在了。量子力学奉告咱们，物理量都是有不对定性的，不成能无过错地精准衡量。而混沌理论则讲明，唯有波及3个及更多的物体，初始前提的极其微弱的差异将致使着末结局的千差万别。从另一个角度来讲，拉普拉斯妖是基于典范力学可逆经过的，但是确凿的系统确切知足热力学第二定律（熵增道理）的不成逆经过。因此天下还是布满不对定性布满了欣喜的，人也也许凭仗本人的主观竭力去变换本人的运道。

7.麦克斯韦妖

　　中学时咱们都曾学过热力学第二定律（熵增道理）：孤立系统的不成逆经过熵老是在添加。“落叶永离，反水不收；欲死灰之复燃，艰乎其力；愿破镜之重圆，冀也无端；人生易老，回复青春不过理想；生米煮老练饭，无可回旋...”这些都是熵增道理在实践生计中的反响，它如今也曾经成为了物理学中最牢不成破的道理之一。但是昔日麦克斯韦却曾提议过一个对熵增道理的诘责，特别使人疑惑。

　　#实行#一个绝热容器被分红相等的两格，中间是由“麦克斯韦妖”掌握的一扇小“门”，容器中的空气分子做无规矩热行动时会向门上撞击，“门”也许筛选性的将速率较快的分子放入一格，而较慢的分子放入另一格，云云，此中的一格就会比其它一格温度高，系统的熵低沉了。也许哄骗此温差，启动热机做功，而这是与热力学第二定律相抵牾的。

　　对于这个诘责的辩驳，可并不是一件轻便的办事。有人或者觉得麦克斯韦妖在翻开、阻塞门的时光需求损耗能量，这边产生的熵增会对消掉系统熵的低沉。但是开关门损耗的能量却不是实质的，它也许随意低沉到充实小。对于麦克斯韦妖的真实诠释，直到20世纪才被掀开。对于熵的题目连续对比难解，因此我直接引用赵凯华老师在《新意见力学·热学》中的话：“麦克斯韦妖有得到和保存分子行动消息的技能，它靠消息来干涉系统，使它逆着果然界的方位实行。按当代的意见，消息即是负熵，麦克斯韦妖将负熵输入给系统，低沉了它的熵。那末，麦克斯韦妖何如才力得到所需的消息呢？它必需有一个温度与处境不同的微型光源去照亮分子，这就需求糜费必定的能量，产生额外的熵。麦克斯韦妖恰因此此为价格才获患有所需的消息（即负熵）的，这额外熵的产生赔偿了系统里熵的削减。总起来讲，纵然真有麦克斯韦妖存在，它的做事方法也不违犯热力学第二定律。”

8.双生子佯谬

　　爱因斯坦的狭义相对论创立了崭新的时空观，对于那时的人们来讲难以担当。因此自从提议以来，狭义相对论就遭到了各式诘责，此中最有名确当属双生子佯谬。不过不管怎样诘责，狭义相对论均也许很完满的给出诠释，悉数的佯谬都被逐个化解，钻研这些佯谬也许越发深入的领会狭义相对论的时空观。

　　#实行#在狭义相对论中，行动的参考系时光会变缓，即所谓的动钟变慢效应。如今假想云云一个局面：有一双双胞胎A和B，A留在地球上，B乘坐凑近光速的飞船向六合深处飞去。飞船在飞出一段间隔以后掉头往回飞，最后起飞回地球，两手足晤面。如今题目来了：A觉得B在行动的时光时光变慢，B理当比A年青；而同样地，在B看来，是A连续在行动，是A的时光变慢了，A理当比B年青才是。那末手足俩到底谁更年青呢？狭义相对论能否自相抵牾了？

　　本相上，领会双生子佯谬的关键，是要明白A和B的名望并差错等：两人中惟独B体验了加快经过，B在飞船掉头的时光不成防止的要体验一次加快。因此，惟独A才是处在狭义相对论创立的惯性系之中，惟独A的观念是无误的：当手足俩晤面时，B比A更年青。宛如的效应曾经被精细实行所阐懂得。原本唯有用狭义相对论做详细的谋划，也也许从B的角度领会为甚么B比A更年青，不过这不得不做噜苏的谋划，这边就不给出了。至此咱们也许安心肠说，狭义相对论在这个题目上是没有包罗抵牾的。不过出去旅行一圈的双胞胎手足竟然归来就对比年青了，这一点然而倾覆了大普遍人的天下观的...然而这是本相，不信也得信呀！

9.等效道理

　　在中学里众人都学了品质的意见，但是本相上是有两种不同的品质的：惯性品质和引力品质。惯性品质是F=ma中的m，它是惯性巨细的衡量；引力品质是F=GMm/r^2中的m，它是引力巨细的衡量。之因此中学里并差错这两者实行辨别，是由于这两者精准地相等。这一本相并不是理所果然的，而爱因斯坦恰是经过这一巧妙的本相，概括出了广义相对论的一个根本假使：等效道理。

　　#实行#假想一个处于自如空间（没有引力影响）中的六合飞船，它以a=9.8m/s^2的加快率做加快直线行动。如果内部的人扔出一个小球，小球由于惯性，将以9.8m/s^2的加快率落地；而这正如一个处于引力场中的惯性系所显示的那样。非惯性系中的惯性力正比于惯性品质，而引力则正比于引力品质。惯性品质与引力品质相等这一本相，致使了惯性力与引力这两种效应没法辨别，这即是弱等效道理。爱因斯坦进一步推行，对于全部物理经过（不只仅是力学经过），自如空间中的加快行动参考系，与引力影响下的惯性系，这两者在准则上全部不成辨别，这即是强等效道理。

　　“引力场中全部物体都具备统一的加快率，这条定律也可表述为惯性品质同引力品质相等，它那时就使我明白到它的全数重大性。我为它的存在觉得极其诧异，而且料想此中必有一把也许更深入明白惯性和引力的钥匙。”——爱因斯坦。

10.薛定谔的猫

　　薛定谔的猫生怕是物理界最有名的一只虚拟小动物了，它是量子力学的首创人之一——薛定谔为明白释量子力学并不完整而提议的。

　　#实行#把一只猫放进一个紧闭的盒子里，而后把这个盒子连合到一个包罗一个喷射性原子核和一个装有有毒气体的容器的实行安设。假想这个喷射性原子核在一个小时内有50％的或者性产生衰变。如果产生衰变，它将会发射出一个粒子，而发射出的这个粒子将会触发这个实行安设，翻开装有毒气的容器，进而杀死这只猫。依据量子力学，未实行窥察时，这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态，猫则处在死和活的叠加态，即“既死又活”（而不是很多人诬蔑的“半死不活”、“要末死要末活”）。不过，如果在一个小时后把盒子翻开，实行者只可看到“衰变的原子核和死猫”或许“未衰变的原子核和活猫”两种景况。如今的题目是：这个系统从甚么时光开端不再处于两种不同形态的叠加态而成为此中的一种？在翻开盒子窥察曩昔，这只猫是死了还是在世抑或既死又活？这个实行的本旨是想诠释，如果不能对波函数塌缩以及对这只猫所处的形态给出一个正当诠释的话，量子力学本人是不完整的。

　　薛定谔的猫是物理学家的一个恶梦，它把宏观的量子力学效应夸大到了宏观的平时生计，使得全部都变得相当诡异。对于薛定谔的猫的诠释，波及到了多种对量子力学的深入哲学领会，本文就不胪陈了，如果你想搞明白这只巧妙的猫的运道，那末请到物理学院来研习吧！

跋文

　　头脑实行是物理学史上庞大的聪颖结晶，回头一番足以看出此中闪灼的聪颖毫光。望这些头脑实行也许给读者带来对天下明白的启发吧。

　　（来历：米美好的博客）

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