思想的迷失——爱因斯坦的想象对物理学有多重要？

Gedankenexperiment，德语“思想实验”，是阿尔伯特·爱因斯坦为那些引导他在物理学上取得最伟大突破的想象而取的名字。他将自己对光速有限的认识——狭义相对论的核心思想——追溯到他青少年时期关于骑在光束上的白日梦。广义相对论，他关于引力的不朽理论，其起源于他对在电梯中上下乘坐的思考。在这两种情况下，爱因斯坦都通过运用他的心眼超越实验室测量的局限性，从而构建了关于自然世界的新理论。

爱因斯坦既不是第一个也不是最后一个这样做的理论家，但他卓越的成就对于确立gedankenexperiment作为现代理论物理学的基石至关重要。今天，物理学家经常使用思想实验来构建新理论，并在现有理论中寻找不一致或新颖的效应。

但现代对思想实验的拥抱也提出了一些令人不安的问题。在寻找一个将微观量子力学世界与爱因斯坦对宏观宇宙的相对论描述结合起来的大统一理论的过程中，目前最流行的观点缺乏来自实际实验的观测支持。仅凭思想就能支撑它们吗？我们能在多大程度上信任逻辑推演？科学直觉和幻想之间的界限在哪里？爱因斯坦的遗产没有提供确定的答案：一方面，他对思想力量的依赖取得了惊人的成功。另一方面，他许多最著名的思想实验都基于来自真实实验的数据，例如首次测量光速不变性的经典迈克尔逊-莫雷实验。此外，爱因斯坦对可测量事物的执着有时使他看不到更深层次的现实——尽管即使他在思想实验中的错误也为后来的突破做出了贡献。

支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们今天世界的发现和思想的有影响力的故事。

在这里，我们将回顾爱因斯坦一些最具代表性的思想实验，重点介绍它们如何成功、在哪里失败以及它们如何对当前理论物理学前沿的问题仍然至关重要。

无窗电梯

在思想实验中，爱因斯坦的天才之处在于认识到经验的哪些方面是必要的，哪些是可以抛弃的。考虑他最著名的一个实验：电梯思想实验，他于1907年开始构思。爱因斯坦认为，在一个无窗的电梯内，一个人无法分辨电梯是静止在引力场中，还是以恒定加速度被向上拉。然后他推测，物理定律本身在两种情况下必须是相同的。根据这个“等效原理”，在局部（在电梯内），引力的效应与在没有引力的情况下加速度的效应相同。转化为数学方程式，这个原理成为了广义相对论的基础。换句话说，电梯思想实验促使爱因斯坦进行了大胆的智力飞跃，最终导致了他最伟大的成就，他对引力的几何描述。

幽灵般的超距作用

在他职业生涯的后期，爱因斯坦强烈反对量子力学的原则，特别是测不准原理，该原理指出，你对基本粒子某个方面的了解越多，例如它的位置，你对该粒子的另一个相关方面的了解就越少，例如它的动量——反之亦然。爱因斯坦认为，测不准原理是量子理论存在严重缺陷的标志。

在与丹麦量子理论家尼尔斯·玻尔长达数年的交流中，爱因斯坦构思了一系列思想实验，旨在证明违反测不准原理是可能的，但玻尔剖析了其中的每一个实验。这次交流加强了玻尔的信念，即量子不确定性是自然的基本方面。如果即使是伟大的爱因斯坦也无法设计出一种精确测量粒子位置和动量的方法，那么肯定有某种测不准原理存在！

1935年，爱因斯坦与他的同事鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森一起发表了一篇旨在最有力地批判测不准原理的论文。也许是因为波多尔斯基而不是爱因斯坦起草了论文的实际文本，这个爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）思想实验并没有被呈现为一个容易想象的盒子、时钟和光束场景，而是被呈现为一系列描述两个广义量子系统之间相互作用的抽象方程。

EPR实验最简单的版本研究了“纠缠”粒子的悖论行为——成对的粒子共享一个共同的量子态。它的展开过程如下：想象一个自旋为零的不稳定粒子衰变为两个子粒子，它们朝相反方向飞速射出。（自旋是衡量粒子角动量的指标，但与直觉相反，它与粒子的旋转速率几乎无关。）守恒定律规定，这两个子粒子的自旋之和必须为零；那么，一个粒子可能具有“向上”的自旋值，而另一个粒子可能具有“向下”的自旋值。量子力学定律规定，在没有测量的情况下，两个加速纠缠的粒子中，没有一个粒子拥有确定的自旋，直到其中一个被测量。一旦对一个粒子进行了测量，另一个粒子的状态就会瞬间发生变化，即使这些粒子相隔遥远的距离！

爱因斯坦认为这种“幽灵般的超距作用”是无稽之谈。他自己的狭义相对论认为，没有任何东西的传播速度能超过光速，因此两个粒子不可能从宇宙的两端瞬间相互通信。他认为，测量结果一定是事先由量子力学未能解释的“隐变量”决定的。随后的几十年里进行了讨论，直到1964年，物理学家约翰·斯图尔特·贝尔发展了一个定理，精确地量化了纠缠粒子之间共享的信息与爱因斯坦假设的通过隐变量共享的信息有何不同。

自20世纪70年代以来，对纠缠量子系统的实验室实验已经反复证实，爱因斯坦是错误的，量子粒子确实共享着无法用隐变量解释的相互信息。“幽灵般的超距作用”是真实的，但实验已经证明，它不能用于以快于光速的速度传输信息，这与爱因斯坦的狭义相对论完全一致。这个违反直觉的真理仍然是物理学中最神秘的难题之一，正是爱因斯坦顽固的、错误的反对意见，最终被证明对证实它是至关重要的。

爱丽丝和鲍勃

今天，物理学中最重要的一些思想实验探索了如何协调爱因斯坦的机械式、相对论宇宙与量子粒子的模糊不确定性。

例如，考虑一下广为讨论的黑洞信息悖论。如果你将广义相对论和量子场论结合起来，那么你会发现黑洞会蒸发，由于量子效应，会缓慢地辐射掉它们的质量。你还会发现这个过程是不可逆的：无论是什么形成了黑洞，蒸发的黑洞总是产生相同的无特征辐射浴，从中无法检索关于其内容的信息。但是，量子理论禁止这种过程，量子理论指出，原则上任何事件都可以在时间上逆转。例如，根据量子力学定律，即使一本烧毁的书的残余物仍然包含重新组装该书所需的所有信息，即使这些信息不容易获取。但蒸发黑洞的情况并非如此。因此，我们遇到了一个悖论，一个逻辑上的不一致。量子力学和广义相对论的结合告诉我们，黑洞必须蒸发，但我们得出结论，结果与量子力学不相容。我们一定犯了一些错误——但错在哪里？

为探索这个悖论而创建的思想实验通常要求我们想象一对观察者，鲍勃和爱丽丝，他们共享一对纠缠粒子——EPR实验中那些幽灵般的实体。爱丽丝带着她的粒子跳入黑洞，而鲍勃则带着他的粒子留在外面和远处。没有爱丽丝，鲍勃的粒子只是典型的粒子，其自旋可能测量为向上或向下——它曾经与纠缠伙伴共享的信息随着爱丽丝一起丢失了。

鲍勃和爱丽丝在一个最流行的黑洞悖论解决方案中扮演着核心角色，该方案被称为黑洞互补原理。黑洞互补原理由当时都在斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德、拉鲁斯·索拉修斯和约翰·乌格伦于1993年提出，它基于爱因斯坦关于gedankenexperiment的黄金法则：严格关注可以测量的东西。萨斯坎德和他的同事们假设，与爱丽丝一起掉入的信息必须稍后随蒸发黑洞的辐射一起出来。这种情况通常会造成另一个不一致，因为量子力学只允许与一个伙伴进行成对纠缠，这种性质称为纠缠单配性。也就是说，如果鲍勃的粒子与爱丽丝的粒子纠缠在一起，它就不能与任何其他东西纠缠。但是黑洞互补原理要求鲍勃的粒子与爱丽丝的粒子和黑洞后来发出的辐射纠缠在一起，即使这违反了单配性。乍一看，黑洞互补原理似乎是用另一个不一致取代了一个不一致。

但就像完美的犯罪一样，如果没有人真正目睹这种不一致，也许它可以颠覆自然界其他严格的定律。黑洞互补原理依赖于这样一个论点，即任何观察者都不可能看到爱丽丝和鲍勃的纠缠粒子违反规则。

为了设想这种完美的量子力学犯罪是如何展开的，想象一下第三个观察者查理，他徘徊在黑洞附近，密切关注爱丽丝和鲍勃。他观察到鲍勃留在外面，而爱丽丝掉了进去，同时测量黑洞发出的辐射。理论上，编码在辐射中的信息可能会提示查理，鲍勃和爱丽丝违反了他们的纠缠单配性。然而，为了确定，查理不仅必须将他的观测结果与鲍勃的测量结果进行比较，还必须与爱丽丝在黑洞内部的测量结果进行比较。因此，他必须徘徊在地平线，测量发射的辐射，然后跳进去告诉爱丽丝他的发现。令人惊讶的是，萨斯坎德和索拉修斯表明，无论查理多么努力，他都不可能在自己和爱丽丝都被潮汐力撕裂之前进入黑洞并将他的信息与爱丽丝的信息进行比较。他们可怕的命运表明，在黑洞周围，任何人都无法测量到对量子力学的违反，因此理论家可以逍遥法外地犯下这种反自然的罪行。

毋庸置疑，并非所有理论家都相信这种论证是有效的。对黑洞互补原理的一种批评是，它可能违反爱因斯坦的等效原理——这个原理源于他的电梯思想实验。爱因斯坦的广义相对论预测，正如电梯里的乘客无法区分重力和加速度一样，观察者在穿过黑洞视界时也不应该注意到任何异常；观察者无法分辨自己是否滑过了不归路。

现在让我们回到爱丽丝和鲍勃的纠缠。如果鲍勃从洞外远处看到的辐射包含我们认为与爱丽丝一起消失在视界后的所有信息，那么这种辐射必须以极高的能量发射出来；否则它就无法逃脱视界附近强大的引力。这种能量非常高，足以在任何坠落的观察者滑过黑洞视界之前将其汽化。换句话说，黑洞互补原理意味着黑洞在视界之外有一个“防火墙”——然而防火墙直接与爱因斯坦等效原理的预测相矛盾。

在这一点上，我们已经深入到理论领域。事实上，我们可能永远不会知道这些难题的答案。但由于这些答案可能导致我们理解空间和时间的量子本质，这些难题无论好坏，都是理论物理学中最活跃的研究领域之一。而这一切都回溯到爱因斯坦对坠落电梯的思考。