爱因斯坦最伟大的遗产：思想实验

爱因斯坦最伟大的遗产不是广义相对论，不是光电效应，也不是他的脑片。这是一个词：Gedanken实验--这是德语中“思想实验”的意思。今天，思想实验在理论物理中很常见。我们用它们来检验一个理论的后果，它超出了现有技术可以衡量的范围，但在原则上仍然是可以衡量的。思维实验有助于将理论推向极限，这样做可以揭示理论中的不一致之处或新的效果。思维实验只有两条规则：(A)相关的只是可以测量的东西；(B)不要自欺欺人。这并不像听起来那么容易。也许第一个想法的实验来自詹姆斯·麦克斯韦尔，今天被称为麦克斯韦尔的恶魔。马克斯韦尔用他的思维实验来研究一个人是否可以打破热力学第二定律，并建造一台永动机，从中可以提取无限数量的能量。是的，我们知道这是不可能的，但是麦克斯韦说，假设你有两盒气体，一盒是高温的，一盒是低温的。如果你让它们相互接触，温度就会在中间某处达到平衡。在达到平衡温度的过程中，系统变得更加混杂，熵增加。当这种情况发生时-当气体混合时-你可以从系统中提取能量。正如物理学家所说，它“确实有效”。但是，一旦温度达到平衡，并且整个气体的温度都是相同的，你就不能再从系统中提取能量了。熵已经变得最大，这就是故事的结尾。麦克斯韦的恶魔现在是一个无所不知的存在，它坐在两个盒子之间的连接处，那里有一个小门。每次有一个快原子从左边过来，恶魔就会让它通过。但是如果有一个快速的原子从右边过来，恶魔就会关上门。这样一来，一侧的快原子数量会增加，这意味着那一侧的温度会再次上升，整个系统的熵会下降。热力学好像被打破了，因为我们都知道熵是不能减小的，对吧？那是怎么回事呢？嗯，恶魔需要知道原子运动的信息，否则它不知道什么时候开门。这意味着，从本质上讲，恶魔本身就是一个低熵的蓄水池。如果你把恶魔和气体结合起来，第二定律就成立了，一切都很好。关于麦克斯韦的恶魔，有趣的是它告诉我们熵在某种程度上是信息的对立面，你可以用信息来减少熵。事实上，麦克斯韦尔笔下的恶魔的微型版本已经在实验中实现了。但让我们回到爱因斯坦身上。爱因斯坦最著名的思想实验是他想象了电梯被拉起来时会发生什么。爱因斯坦认为，在电梯内无法测量电梯是静止在重力场中，还是以恒定的加速度被拉上来。这就成了爱因斯坦的“等效原理”，根据该原理，在一个小的时空区域内，引力的影响与在没有重力的情况下的加速度的影响是一样的。如果你把这个原理转化成数学方程，它就成为广义相对论的基础。爱因斯坦还喜欢想象追逐光子会是什么样子，这对他发展狭义相对论极其重要，他花了很多时间思考测量时间和距离的真正意义。但他最有影响力的思想实验可能是他提出的一个证明量子力学一定是错的。在这个思维实验中，他探索了量子力学最奇特的效应之一：纠缠。他与鲍里斯·泊道尔斯基和内森·罗森一起做了这项实验，所以今天这被称为爱因斯坦-泊道尔斯基-罗森实验或简称EPR实验。它怎麽工作?。纠缠粒子具有一些可测量的性质，例如自旋，即使在没有测量粒子的情况下，每个粒子的值都不确定，粒子之间也是相互关联的。如果你有一对粒子，你可以知道，例如，如果一个粒子自旋上升，那么另一个粒子自旋下降，反之亦然，但你可能仍然不知道哪个是哪个。结果是，如果测量到其中一个粒子，另一个粒子的状态似乎会瞬间改变。爱因斯坦、泊道尔斯基和罗森之所以提出这个实验，是因为爱因斯坦认为这种在远处瞬间的“恐怖”行为是无稽之谈。你看，爱因斯坦对此有问题，因为它似乎与狭义相对论中的光速极限相冲突。今天我们知道情况并非如此，量子力学与狭义相对论并不冲突，因为没有有用的信息可以