在物理学中，有一种特殊的实验：它们不需要购买昂贵的仪器或大量的人力和物力。 他们所需要的只是一个逻辑大脑； 但这种实验可以挑战前人的结论并建立新的理论。 ，甚至引发人们重新思考对世界的认识。 这种实验就是传说中的思想实验。 历史上许多伟大的物理学家都设计过发人深省的思想实验，包括伽利略、牛顿、爱因斯坦。 这些思想实验不仅对物理学的发展起到了不可磨灭的作用，而且颠覆了人们对世界和宇宙的认识。 本文将从易到难介绍物理学史上几个著名的思想实验。
惯性原理
自亚里士多德时代以来，人们一直相信力是运动的原因。 如果没有力的作用，物体的运动就会停止。 直到伽利略提出了下面这个著名的思想实验，人们才知道了惯性原理——没有任何外力（或总外力为0）的物体会保持静止或匀速直线运动。 :
想象一下垂直放置的V形光滑导轨，一个小球可以在上面滚动而没有摩擦。 让球从左端滚下来，球会在右边滚到同样的高度。 如果降低右导轨的坡度，球仍会滚动到相同的高度。 这时，球会在水平方向上滚动得更远。 斜率越小，球必须滚动得越远才能到达相同的高度。 此时，想象右侧导轨的斜度继续减小，直至变为水平。 根据以往的经验，如果没有摩擦阻力，球就会继续滚动并保持匀速直线运动。
在任何实际的实验中，由于摩擦力都不能被忽略，所以任何真实的实验都不能严格证明惯性原理。 这就是为什么古人没有推导出惯性原理的原因。 然而，思想实验是可以做的。 只要通过日常经验的延伸，任何理性的人都可以相信惯性原理的正确性。 这个最简单的思想实验就足以体现思想实验的边缘了！
两个球同时落地
伽利略之前的人们仍然受到亚里士多德的影响，认为较重的物体下落得更快，而较轻的物体下落得更慢。 大家都知道伽利略著名的比萨斜塔实验，但很多人不知道的是，伽利略实际上通过思想实验证明了两个小球必须同时落地：
如果亚里士多德是对的，那么想象一个重球和一个轻球一起落下。 由于重的球下落得快，轻的球下落得慢，轻的球会拖拽重的球，并给它一个阻力，使其减慢速度。 因此，两个球的下落速度应介于重球和轻球的下落速度之间。 但如果把两个球作为一个整体考虑，总重量比重球大，应该比重球单独下落要快。 所以这两个推论是矛盾的。 亚里士多德的结论是错误的。 两个球必须同时落地。
通过上述思想实验，其实高中物理小球实验，两个小球同时落地不仅是物理上既定的规律，而且也是逻辑上的必然。 在这个例子中高中物理小球实验，思想实验起到了真实实验无法达到的作用：即使在我们高中学到的牛顿引力理论不适用的情况下，两个小球同时撞击地面仍然是事实！ 稍后我会讲广义相对论中的等效原理。 这一思想实验的逻辑必然性是爱因斯坦得出等效原理的关键因素。
牛顿大炮
如图所示，一门安装在高山上的大炮高速水平发射炮弹。 炮弹速度越快，下落的距离就越远。 一旦速度足够高，炮弹就永远不会撞击地面，而是会周期性地绕地球运动。
牛顿这个简单的思想实验，让人们第一次认识到，月亮之所以不会落到地面（也不会飞走），正是引力导致了苹果落到了地上！ 牛顿的万有引力理论导致了人们认识的飞跃：天空中的事物并不“神圣”，它们与地面上的普通物体遵循同样的规律。
桶实验
用一根长绳子挂一个水桶，让它旋转英语作文，直到绳子拉紧，然后往里面倒水。 水和桶暂时静止，液面明显水平。 然后突然向相反方向旋转铲斗。 水面一开始并不跟随运动。 此时水面仍是水平的。 但随后，水桶逐渐将运动传递给水，导致水开始旋转。 可以看到水逐渐离开中心，沿着桶壁上升，形成凹面。 运动越快，水升得越高。 如果此时水桶突然停止，水仍会因惯性而旋转，此时液面仍会是凹形的。 牛顿认为，水面的凹度不是由水与周围环境的相对运动造成的，而是由水的绝对的、真正的圆周运动造成的。 因此，可以从水面的凹凸程度来判断绝对运动的存在。
这个思想实验是牛顿设计的，旨在证明绝对空间的存在。 然而，众所周知，牛顿的绝对时空观实际上是错误的，这意味着这个思想实验实际上是失败的。 这个谬论在一百多年后被哲学家、物理学家马赫指出。 马赫认为，水面的凹陷并不是由于水相对于“绝对空间”的运动，而是由于宇宙中所有其他物体的运动，而这些其他物体通过重力对水施加了作用。 起决定性作用的天体是遥远的天体。 正是遥远天体的“参考系阻力”导致相对于它们旋转的液体表面凹陷。 马赫认为不存在绝对空间，所有参考系都是等效的。 如果水面可以保持静止，所有遥远的天体可以一起旋转，按照马赫的观点，静止的水面会产生凹形的液面。 我们显然做不到这样的实验，但如果用一个几公里厚的水桶来做上述水桶实验，人们就无法确定牛顿对液面平整度和凹度的判断。 。 后来，马赫的观点对爱因斯坦发明广义相对论产生了决定性的影响。 马赫原理本身也随着广义相对论的逐步证实而得到广泛认可。
奥尔伯斯悖论
在20世纪大爆炸理论提出之前，人们对宇宙的认识很简单：宇宙无限大，存在无限长的时间，宇宙处于稳定状态，宇宙中的恒星均匀分布大范围上。 然而，当时人们不知道的是，从这四个基本假设出发，可以从逻辑上推导出一个明显与事实相反的结论——奥尔伯斯悖论：
如果宇宙是稳定的、无限的，时空是平坦的，那么相同的发光体均匀地分布在其中。 由于发光体的照度与距离的平方成反比，因此一定距离处球壳内发光体的数量就是距离的平方。 与此成正比，所有发光物体的照度积分并不收敛，夜空应该无限明亮。
然而，每天黑暗总是如期而至，天也不总是明亮的。 这说明我们之前对宇宙的认识存在问题。 奥尔伯斯本人也给出了解释。 他认为宇宙中存在的尘埃和不发光的恒星吸收了部分光。 然而，这种解释是错误的，因为根据热力学第一定律，能量必须守恒，因此中间的势垒会升温并开始发出辐射。 这样一来，天空中就会出现均匀的辐射，其温度应该等于发光体表面的温度，即天空像星星一样明亮，但实际上并没有观察到这种现象。 直到大爆炸理论提出，奥尔伯斯悖论才得到解决。 根据大爆炸理论，宇宙是在150亿年前的一次大爆炸中诞生的。 宇宙仍处于膨胀过程中。 因此，宇宙的存在时间是有限的，并且不是处于稳定状态。 四个基本假设中有两个不再成立，因此奥尔伯斯悖论自然被打破。
拉普拉斯的恶魔
牛顿之后的时代，经典力学在描述世界方面取得了巨大成功，人们逐渐相信可以用物理定律机械地描述世界。 拉普拉斯极端地相信机械决定论，认为世界上任何事物（包括人类和社会）都无法逃脱某些物理定律的控制。
“我们可以将宇宙的当前状态视为其过去的影响和未来的原因。如果一个智慧知道所有自然运动的力量以及所有自然构成的物体在某一时刻的位置，并且如果他也能够分析这些数据，那么宇宙中最大的物体到最小的粒子的运动都包含在一个简单的公式中，对于这个智者来说，没有什么是模棱两可的，未来对他来说只是过去。” - 拉普拉斯。
拉普拉斯所说的“智能”，就是后人所说的“拉普拉斯妖”。 如果拉普拉斯恶魔存在，那这个世界就太可怕了：你我的所有行为都可以计算，我们的命运都严格由物理定律+初始条件决定。 没有什么是无法计算的，那人生还有什么乐趣呢？ 幸运的是，混沌理论和量子力学的发展使得拉普拉斯妖不可能永远存在。 量子力学告诉我们，物理量是不确定的，无法准确无误地测量。 混沌理论表明，只要涉及三个或三个以上的物体，初始条件极小的差异就会导致最终结果的巨大差异。 从另一个角度来看，拉普拉斯妖是基于经典力学的可逆过程。 然而，真实系统确实满足热力学第二定律（熵增原理）的不可逆过程。 所以，世界依然充满了不确定性和惊喜，人们也可以通过自己的主观努力改变自己的命运。
麦克斯韦妖
中学时我们都学过热力学第二定律（熵增原理）：孤立系统中不可逆过程的熵总是增加的。 “落叶永别，水不可复；死灰难复，破镜无缘相聚；生命易老，返老还童只是一场。”幻想；生米熟了，不可逆……”这些都是熵增原理在现实生活中的反应，如今已经成为物理学中最牢不可破的原理之一。 然而，麦克斯韦曾经提出了一个关于熵增原理的问题，非常令人困惑：
一个绝缘容器被分成两个相等的隔间，中间有一扇由“麦克斯韦恶魔”控制的小“门”。 容器内的空气分子在不规则的热运动过程中会撞击门。 “门”可以选择性地打开。 将较快的分子放入一个网格中，将较慢的分子放入另一个网格中。 这样，一个网格就会比另一个网格更热，系统的熵就会减少。 这种温差可以用来驱动热机做功，这违背了热力学第二定律。
驳斥这一挑战并不是一件容易的事。 可能有人认为麦克斯韦妖在开关门时需要消耗能量，这里产生的熵的增加会抵消系统熵的减少。 然而，开关门所消耗的能量并不是必需的，它可以任意降低到足够小的水平。 直到20世纪，麦克斯韦妖的真正解释才被揭晓。 熵的问题一直很难理解，所以我直接引用了赵开华老师在《新概念力学·热学》中的话：“麦克斯韦妖具有获取和存储分子运动信息的能力，它依靠信息来干预按照现代的观点，信息就是负熵，麦克斯韦妖将负熵输入到系统中，使其熵减少。那么，不同的微光源是如何获得所需要的信息的呢？用于照亮分子，需要一定的能量并产生额外的熵，正是以这个代价，麦克斯韦妖获得了所需的信息（即负熵），通过产生额外的熵来补偿熵的减少。综上所述，即使麦克斯韦妖确实存在，其工作方式也不违反热力学第二定律。”
双胞胎悖论
爱因斯坦的狭义相对论建立了一种全新的时空观，这让当时的人们难以接受。 因此，狭义相对论自提出以来就受到了各种批评，其中最著名的就是孪生佯谬。 但无论多么困难，狭义相对论都能给出完美的解释，所有的悖论都被一一解决。 研究这些悖论可以加深对狭义相对论时空观的理解。
在狭义相对论中，移动参考系的时间会减慢，这就是所谓的时钟减慢效应。 现在想象这样一个场景：有一对双胞胎A和B。A留在地球上，B乘坐接近光速的宇宙飞船飞向宇宙深处。 飞船飞了一定距离后掉头飞回来，最后降落在地球上，两兄弟在那里相遇了。 现在问题来了：A认为B在移动的时候，时间变慢了，B应该比A年轻； 同样，从B的角度来看，是A一直在移动，A的时间变慢了，A应该比B年轻。就是这样。 那么两兄弟中谁更年轻呢？ 狭义相对论是否自相矛盾？
事实上，理解孪生佯谬的关键是要明白A和B的地位是不平等的：两者中只有B经历了加速过程，而当飞船转弯时，B必然会经历加速。 因此，狭义相对论建立的惯性系中只有A，只有A的观点是正确的：两兄弟相遇时，B比A年轻。类似的效应已经被精密的实验所证实。 其实只要我们用狭义相对论做详细的计算，我们也可以从B的角度理解为什么B比A年轻，但这需要繁琐的计算，这里不给出。 至此，我们可以有把握地说，狭义相对论在这个问题上并不存在矛盾。 但出去旅游的双胞胎兄弟其实回来的时候还比较年轻。 这已经颠覆了大多数人的世界观……但这就是事实，不信也得信！
等效原理
大家在中学都学过质量的概念，但实际上质量有两种不同的类型：惯性质量和引力质量。 惯性质量为m，F=ma，是惯性大小的度量； 引力质量为m，单位为F=GMm/r^2，是引力大小的度量。 两者之所以在中学时没有区别，是因为它们完全相等。 这个事实并不是理所当然的，正是通过这个神奇的事实，爱因斯坦总结出了广义相对论的一个基本假设：等效原理。
想象一下自由空间（无重力）中的航天器，它以a=9.8m/s^2的加速度沿直线加速。 如果里面的人扔一个小球，由于惯性，球会以9.8m/s^2的加速度落到地面； 这就像惯性系统在引力场中的表现一样。 非惯性系中的惯性力与惯性质量成正比，而引力则与引力质量成正比。 惯性质量和引力质量相等的事实使得惯性力和引力的两种作用无法区分。 这就是弱等效原理。 爱因斯坦进一步提出，对于所有物理过程（不仅仅是机械过程）来说，自由空间中的加速运动参考系和重力作用下的惯性系在原理上是完全无法区分的。 这是强等价。 原则。
“引力场中的所有物体都具有相同的加速度。这个定律也可以表述为惯性质量等于引力质量。它让我当时意识到了它的全部重要性。我对它的存在感到极其惊讶，并猜测有一定是加深理解惯性和重力的关键。” - 爱因斯坦。
薛丁娥的猫
薛定谔的猫可能是物理学界最著名的虚构动物。 它是由量子力学创始人之一薛定谔提出的，用来说明量子力学是不完备的：
一只猫被放在一个封闭的盒子里，盒子与一个装有放射性核和有毒气体容器的实验装置相连。 想象一下，这个放射性核有 50% 的几率在一小时内衰变。 如果它腐烂了，就会发射出粒子，发射出的粒子会触发实验装置，打开装有有毒气体的容器，从而杀死猫。 根据量子力学，在不进行观察的情况下，原子核处于衰变与未衰变的叠加状态，猫处于死与活的叠加状态，即“既死又活”（而不是“半死不活”） ”或“半死”或“活着”，正如许多人所误解的那样）。 “死或生”）。 然而，如果一个小时后打开盒子，实验者只能看到两种情况：“衰变的原子核和死猫”或“未衰变的原子核和活猫”。 现在的问题是：这个系统什么时候不再处于两种不同状态的叠加而成为其中之一？ 在打开盒子观察之前，猫是死了、活着还是两者皆有？ 这个实验的初衷是为了证明，如果没有对波函数的塌缩和这只猫的状态做出合理的解释，量子力学本身就是不完整的。
薛定谔的猫是物理学家的噩梦。 它将微观的量子力学效应放大到宏观的日常生活中，让一切变得非常诡异。 对薛定谔猫的解释涉及到量子力学的多种深刻的哲学理解，本文不再详述。