物理学界有两大派系，爱因斯坦是大脑派的领袖，爱迪生是动手派的领袖。
画面跳转到中文支部：初中物理教材（人民教育出版社）有个专栏叫《动手和动脑学物理》，就是为了在中学生中宣传动手和动脑学习物理的重要性。两边都不要得罪的节奏，哈哈
全球各地分支场景：国内很多基层物理老师以及欧美的物理老师在各大主流视频网站上传了丰富的科普物理实验短视频。
英国大导演克里斯托弗·诺兰执导的科幻大片《星际穿越》（2014）因为影片中涉及的大量物理元素而大受欢迎。
那么问题来了！我要严肃起来，提出一个宇宙话题：当涉及到物理学的深度（目的）时，“动手”和“动脑”哪个更重要？关键点：拒绝优柔寡断！
各位物理老师、物理爱好者们，如果您对本话题感兴趣，请您投票。同时，在文章末尾的评论区说明理由。
在物理学中，有一类特殊的实验：它们不需要购买昂贵的仪器，而只需要一个有逻辑的大脑；而且这种实验可以挑战前人的结论，建立新的理论，甚至引发人们对世界的新认识。这就是思想实验。
历史上许多伟大的物理学家都设计过引人深思的思想实验，比如伽利略、牛顿、爱因斯坦等。这些思想实验不仅对物理学的发展起到了重要作用，而且颠覆了人们对世界和宇宙的认识。下面介绍一些物理学史上著名的思想实验。
1.惯性原理
自亚里士多德以来，人们一直认为力是运动的原因，运动中的物体如果没有力的作用就会静止下来。直到伽利略提出了下面这个著名的思想实验，人们才了解到惯性原理——一个物体不受任何外力作用（或净外力为 0），它将保持静止或以恒定的速度做直线运动。
想象一条垂直的 V 形光滑轨道，一个球可以在上面无摩擦地滚动。让球从左端滚下来，它会在右边滚到同样的高度。如果减小右边轨道的斜率，球仍然会滚到同样的高度，但是它会在水平方向上滚得更远。斜率越小，球要达到同样的高度就要滚得越远。现在想象右边轨道的斜率继续减小，直到变成水平。根据以前的经验，如果没有摩擦，球会继续滚动，保持匀速直线运动。
在任何实际实验中，由于摩擦力无法忽略，任何现实实验都无法严格证明惯性原理。这也是古人没有推导出惯性原理的原因。然而，思想实验可以做到这一点。只需将日常经验延伸，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足以体现思想实验的敏锐性！
2. 两个球同时落地
受亚里士多德的影响，伽利略之前的人们认为，较重的物体下落得更快，而较轻的物体下落得更慢。伽利略著名的比萨斜塔实验广为人知，但很多人不知道的是，在此之前，伽利略已经通过思想实验证明了两个球必须同时落地。
如果亚里士多德的断言是正确的，那么想象一下把一个重球和一个轻球绑在一起，然后让它们落下。由于重球下落得更快，轻球下落得更慢，轻球会拖住重球，给它一个阻力，让它减速，所以两个球的下落速度应该介于重球和轻球下落速度之间。但是，如果把两个球看作一个整体，总重量大于重球，应该比重球单独下落时下落得更快。因此，这两个推论互相矛盾，亚里士多德的断言是错误的。两个小球必须同时落地。
结合上面的思想实验，两个球同时落地不仅是物理规律，更是逻辑必然。在这个例子中，思想实验发挥了现实实验无法实现的作用：即使在我们高中学到的牛顿引力理论不适用的情况下，两个球仍然同时落地！后面我会讲广义相对论中的等效原理。这个思想实验的逻辑必然性，是爱因斯坦总结等效原理的关键因素。
3.牛顿大炮
如图所示，一门架在高山上的大炮，以极高的速度水平发射炮弹，炮弹速度越快，下落的距离就越远，一旦速度足够快，炮弹就永远不会落地，而是会绕地球做周期性运动。
牛顿这个简单的思想实验，使人们第一次意识到，月球之所以不会落到地球上（也不会飞走），就是因为引力使苹果落到地上！牛顿的引力理论初中物理熵，使人们的认识有了一次飞跃：天上的事物并不是“神圣的”，它们和地球上的普通物体一样，遵循着同样的规律。
4.桶实验
用一根长绳子吊住一个水桶，让它旋转，直到绳子绷紧为止，然后往里面倒水。水和桶暂时静止，液面明显是水平的。然后突然反方向旋转水桶，刚开始水面不跟着运动，水面还是水平的。但后来，水桶逐渐把运动传递给水，使水开始旋转起来。可以看到水逐渐离开它的中心，沿着桶壁上升，形成一个凹面。运动越快，水上升得越高。如果此时突然停下水桶，水由于惯性还会继续旋转，液面还是凹的。牛顿认为，水的凹面不是水对周围环境的相对运动造成的，而是由水绝对的、真正的圆周运动造成的。因此，可以用水的凹面来判断绝对运动的存在。
这个思想实验是牛顿为了证明绝对空间的存在而设计的。然而众所周知，牛顿的绝对空间观和时间观其实是错误的，也就是说这个思想实验其实是一个失败的例子。这个谬误在一百多年后才被哲学家、物理学家马赫指出。马赫认为，水面凹陷不是因为水相对于“绝对空间”的运动，而是因为宇宙中所有其他物体的运动，通过引力对水产生了作用。起决定作用的物体是遥远的天体，是遥远天体的“参考系拖拽”导致相对于它们旋转的液面凹陷。马赫认为，绝对空间是不存在的，所有参考系都是等效的。如果水面能够保持静止，所有遥远的天体能够一起旋转，按照马赫的观点，静止的水面就会产生凹陷的液面。我们显然不可能做这样的实验，但是如果用一个几公里厚的水桶来做上面的水桶实验，人们就无法确信牛顿对液面平整度和凹凸度的判断了。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，而马赫原理本身也随着广义相对论的逐渐被证实而得到了广泛的认可。
5. 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：宇宙是无限的、存在了无限的时间、处于稳定状态、宇宙中的恒星在大尺度上均匀分布。然而，当时人们并不知道的是，这四个基本假设在逻辑上可以得出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、时空平整的，发光体均匀分布，那么由于发光体的照度与距离的平方成反比，而一定距离球壳内的发光体数量与距离的平方成正比，所有发光体的照度积分不会收敛，夜空应该是无限明亮的。
但是，每天夜幕总是如期降临，天空也并不总是无限明亮。这就说明我们以前对宇宙的认识存在问题。奥伯斯自己也给出了一种解释，他认为宇宙中的尘埃和不发光的恒星吸收了一部分光。但是这种解释是错误的，因为根据热力学第一定律，能量要守恒，所以中间的屏障就会变热，开始发出辐射，导致天空出现均匀的辐射，温度应该等于发光体表面的温度，也就是天空和星星一样明亮，但事实上这种现象并没有被观测到。直到大爆炸理论提出，奥伯斯佯谬才得以解决。根据大爆炸理论，宇宙诞生于150亿年前的大爆炸，而宇宙至今还在膨胀过程中，因此宇宙的存在时间是有限的贝语网校，并不是处于稳定状态。四个基本假设中有两个不再成立，奥伯斯佯谬自然瓦解。
6.拉普拉斯妖
牛顿之后，经典力学在描述世界方面取得了巨大成功，人们逐渐相信世界可以用物理定律机械地描述。更为极端的是，拉普拉斯信奉机械决定论，认为世界上的一切（包括人类和社会）都无法逃脱某些物理定律的控制。
我们可以将宇宙的现状视为其过去的结果和未来的原因。如果一个智慧在某一时刻知道所有自然力的运动和所有自然物体的位置，并且如果它还能分析这些数据，那么宇宙从最大物体到最小粒子的运动将包含在一个简单的公式中。对于这样一个聪明的人，没有什么是含糊不清的，未来对他来说只会像过去一样。”——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”。如果拉普拉斯妖真的存在，那这个世界就太可怕了：你我的一切行为都可以被计算，我们的命运严格由物理定律+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！幸好混沌理论和量子力学的发展，让拉普拉斯妖不可能永远存在。量子力学告诉我们，物理量是不确定的初中物理熵，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，初始条件的极其微小的差异就会导致截然不同的最终结果。从另一个角度看，拉普拉斯妖建立在经典力学的可逆过程之上，但现实系统确实满足热力学第二定律（熵增原理）的不可逆过程。因此，世界依然充满不确定性和意外，人们也可以通过自己的主观努力改变命运。
7. 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。“落叶归根，覆水难收；灰烬重生，难复生；镜子破碎，再也无法团聚；人生易老，返老还童只是幻想；煮熟的米饭不可逆……”这些都是熵增原理在现实生活中的反应，如今它已经成为物理学中最牢不可破的原理之一。然而，麦克斯韦曾经提出过一个关于熵增原理的问题，让人很困惑。
一个隔热的容器被分成两个相等的隔间，中间有一扇由“麦克斯韦妖”控制的小“门”。容器内的空气分子在进行不规则的热运动时会与门发生碰撞。“门”可以选择性地将速度较快的分子放入一个隔间，将速度较慢的分子放入另一个隔间。这样，一个隔间就会比另一个隔间热，系统的熵就会减少。这个温差可以用来驱动热机做功，这与热力学第二定律相矛盾。
反驳这一反对意见并不容易。有些人可能会认为麦克斯韦妖在开门和关门时会消耗能量，这里产生的熵的增加将抵消系统熵的减少。然而，开门和关门所消耗的能量并不是本质的，可以任意降低到足够小的水平。麦克斯韦妖的真正解释直到 20 世纪才被揭示。熵的问题一直是一个比较难理解的问题，我就直接引用赵开华先生在《新概念力学·热力学》中的话吧：“麦克斯韦妖具有获得和储存分子运动信息的能力，它依靠信息来干预体系，使体系朝着违背自然方向的方向发展。按照现代的观点，信息就是负熵。麦克斯韦妖给体系输入了负熵，使其熵降低。那么，麦克斯韦妖如何才能获得所需要的信息呢？它必须有一个温度不同于环境温度的微光源来照射分子，这就需要一定的能量，并产生额外的熵。麦克斯韦妖以此为代价来获得所需要的信息（即负熵），而这个额外熵的产生又补偿了体系中熵的减少。综上所述，即使麦克斯韦妖真的存在，它的工作方式也不违背热力学第二定律。”
8. 双生子佯谬
爱因斯坦的狭义相对论建立了一种全新的时空观，这一观在当时是难以为人们接受的。因此，狭义相对论自提出以来就受到各种批评，其中最著名的就是双生子佯谬。然而，无论受到怎样的批评，狭义相对论都能给出完美的解释，所有佯谬都被一一解决。研究这些佯谬，可以帮助我们更深入地理解狭义相对论中的时空观。
在狭义相对论中，运动的参考系的时间会变慢，这就是所谓的运动时钟减慢效应。现在设想这样的场景：有一对双胞胎A、B，A留在地球上，B乘坐接近光速的飞船飞往宇宙深处。飞行一段距离后，飞船掉头飞回来，最后落回地球，两兄弟相见。现在的问题是：A认为B在运动时时间会变慢，因此B应该比A年轻；而同样，在B看来，一直在运动的是A，变慢的是A的时间，因此A应该比B年轻。那么这两兄弟谁更年轻呢？狭义相对论是否自相矛盾呢？
其实，理解双生子佯谬的关键，就是要明白A和B的地位是不对等的：两人中只有B经历了加速过程，而B在飞船掉头时必然经历一个加速度。因此，只有A处在狭义相对论成立的惯性系中，也只有A的观点是正确的：当两兄弟相遇时，B比A年轻。类似的效应已经被精密实验证实。其实，只要利用狭义相对论进行细致的计算，同样可以从B的角度理解B为什么比A年轻，但这需要繁琐的计算，这里就不一一列举了。至此，我们可以放心地说，狭义相对论在这个问题上并不存在任何矛盾之处。然而，出去旅行的双胞胎兄弟回来时竟然更年轻，这一事实却颠覆了大多数人的世界观……但这是事实，你必须要相信！
9.等效原理
中学时，我们都学过质量的概念，但实际上质量有两种：惯性质量和引力质量。惯性质量是 F=ma 中的 m，是惯性大小的量度；引力质量是 F=GMm/r^2 中的 m，是引力大小的量度。中学时我们不区分这两者的原因在于，它们恰好相等。这一事实并非理所当然，爱因斯坦正是通过这一神奇的事实，总结出了广义相对论的一个基本假设：等效原理。
设想有一艘宇宙飞船在自由空间（无重力）中，以加速度a=9.8m/s^2做直线加速运动，如果里面有人向飞船中抛出一个小球，由于惯性作用，小球会以9.8m/s^2的加速度落到地面；这就好比一个惯性系处在引力场中。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。惯性质量等于引力质量，使得惯性力与引力两种作用无法区分，这就是弱等效原理。爱因斯坦进一步推广，对于一切物理过程（不仅仅是机械过程），自由空间中的加速运动参考系与引力作用下的惯性系在原则上是完全无法区分的，这就是强等效原理。
“引力场中的所有物体都具有相同的加速度，也可以表述为惯性质量和引力质量相等这一定律，让我立即意识到它的重要性。我对它的存在感到无比惊讶，并猜测它一定蕴含着更深入理解惯性和引力的钥匙。”——爱因斯坦。
10.薛定谔的猫
薛定谔的猫可能是物理学界最著名的虚构动物。它是量子力学的奠基者之一——它是由薛定谔提出来的，目的是为了说明量子力学并不完备。
把一只猫放在一个封闭的盒子里，然后将盒子连接到一个装有放射性原子核和有毒气体容器的实验装置上。假设放射性原子核在一小时内有50%的概率衰变，如果它衰变，就会发射出一个粒子，发射出的粒子会触发实验装置，打开有毒气体容器，杀死猫。根据量子力学，在观察之前，原子核处于衰变和未衰变的叠加态，而猫处于死和活的叠加态，即“既死又活”（而不是很多人误解的“半死”或“非死即活”）。但如果一小时后打开盒子，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态，而成为其中一种？在打开盒子观察之前，猫是死的，活的，还是既死又活的？这个实验的初衷是想表明，如果不能对波函数和猫的状态坍缩给出合理的解释，那么量子力学本身就是不完备的。
薛定谔猫是物理学家的噩梦，它把微观的量子力学效应放大到宏观的日常生活，让一切都变得十分怪异。薛定谔猫的解释牵涉到许多深奥的量子力学哲学理解，本文不再赘述。
参考
[1]许良英、范岱年主编，《爱因斯坦文集》第1卷，北京：商务印书馆，1976年。
[2]《关于托勒密与哥白尼两种世界体系的对话》，周旭亮等译，北京：北京大学出版社，2006年。
[3]吴宗翰，周玉清，《物理学史与物理学思想方法论》，北京：清华大学出版社，2007。