【核心提示】狭义相对论是以四维平直空间中的匀速直线运动为考察对象的，适用于一切惯性系，但无法说明非惯性系中的运动现象。为了克服狭义相对论的不足，将狭义相对论推广到具有加速度的非惯性系中，爱因斯坦运用了电梯思想实验为人们打开思路。

　　作为科学史上最伟大的科学家之一，爱因斯坦一生中取得了巨大成就。在他深邃的科学思想中，思想实验所发挥的作用无可替代。

　　追光思想实验：

　　相对论思想的萌芽

　　据爱因斯坦回忆，在他16岁时，就曾在头脑中设想过一个追光实验：“如果我以速度c（真空中的光速）追随一条光线运动，那么我就应当看到，这样一条光线就好像一个在空间中震荡着而停滞不前的电磁场。”在经典物理学理论体系中，这是一个悖论现象。因为无论是牛顿的经典力学理论，还是麦克斯韦方程，都不允许这样一个在空间中震荡，却又处于停滞状态而不前行的电磁场存在。事实上，悖论现象的产生根源于牛顿的绝对时空观。爱因斯坦指出，“只要时间的绝对性或同时性的绝对性这条公理不知不觉地留在潜意识里，那么任何想要令人满意地澄清这个悖论的尝试，都是注定要失败的。”问题的解决必须抛弃经典物理学的绝对时空观，因为追光实验中的那个追随光线运动的“我”所看到的一切，应当像一个相对于地球是静止的观察者所看到的一样，都按照同样的自然规律进行。这个思想实验中孕育着狭义相对论的萌芽。

　　火车思想实验：

　　狭义相对论的精髓

　　理解狭义相对论的关键，是同时性的相对性。爱因斯坦正是通过火车思想实验实现这一目的的。在火车思想实验中，爱因斯坦设想，有一列很长的火车，正在以一恒定的速度v沿着一直线轨道行驶。该火车的两端分别为A和B，其中间点为M。火车从A向B方向行进（即A为车尾，B为车头）。同时假定，在某一时刻t，与火车处于相同位置的铁轨也存在三点A’、B’和M’（三点分别对应于A、B和M）。A’和B’处分别有灯L1和L2，并且L1和L2在t时刻同时打开。那么，L1和L2的光线到达火车中间点M处（假定在t时刻，M点和M’点是重合的）的时间孰先孰后，还是同时到达？

　　在这一思想实验中，处于不同参照系中的观察者，“看”到的结果是不一样的。在以铁轨为参照物的坐标系中，站在M’点处的观察者“看”到的结果是显而易见的：因为L1和L2到M’点的距离相等，光线传播速度相同，所以L1和L2的光线将同时到达M’点。但在以火车为参照物的坐标系中，人们将看到一番完全不同的景象：因为火车正在以速度v向前行驶，即当光线L1和L2发出时，火车上的A、B、M和铁轨上的A’、B’、M’三点重合，而当光线发出并向前传播时，火车的中间点M同时正在以速度v远离A’，向着B’点运动。所以，L1发出的光线到达M点的速度应该是c－v，而L2发出的光线到达M点的速度是c＋v。那么，结果也就显然是从B’点的L2发出的光线将先于A’点的L1发出的光线到达M点。

　　事实上，产生这两个不同现象的原因是两个不同的参照系的设定，以铁轨为参照物的坐标系是一个静止的惯性系，而以火车为参照物的坐标系则是一个处于运动中的惯性系。该实验的最终结论为：在不同的惯性系中具有不同的同时性，即同时性的相对性。

　　电梯思想实验：

　　广义相对论的拓展

　　狭义相对论是以四维平直空间中的匀速直线运动为考察对象的，适用于一切惯性系，但无法说明非惯性系中的运动现象。为了克服狭义相对论的不足，将狭义相对论推广到具有加速度的非惯性系中，爱因斯坦运用了电梯思想实验为人们打开思路。

　　在一理想的摩天大楼的顶上，有一正在下降的电梯。在该电梯内，有一物理学家在做实验。突然，电梯的钢缆断了，于是，电梯便处于自由落体状态向地面降落。在降落的过程中，电梯内的实验者，拿出一块手帕和一只表，然后松开双手。这两个物体会怎样运动呢？电梯外的观察者以地球作为参考系，他会发现：手帕、表和电梯连同它的天花板、四壁、地面以及里面的实验者等，都以同样的加速度下落。而电梯里面的实验者则会以电梯作为参考系，因为引力场在这一参考系之外而不被考虑，他会发现手帕和表由于不受到任何力的作用，而处于静止状态。在等效原理的帮助下，电梯思想实验告诉我们，引力场和加速度是相等的。广义相对论成功地拓展到了非惯性系中。

　　纠缠思想实验：

　　对后来科学的启迪

　　出于对量子力学不完备性的质疑，爱因斯坦在其后半生中一直无法认同量子力学的基础——测不准原理。为了说明量子力学的不完备性，爱因斯坦与玻尔之间进行了一系列的论战。论战的工具也是思想实验，其中最为著名的莫过于纠缠思想实验（亦称“EPR佯谬”）。

　　在纠缠思想实验中，爱因斯坦本来是想要基于局域性思想之上，表明量子力学存在难以解决的问题：在相隔很远的两个不同地方的两个粒子，不可能有瞬时的超距作用。因为假设超距作用存在，人们心中便无法消除这样的疑问：当粒子A和粒子B之间的距离很远时，比如10万光年，A和B之间的信息如何建立联系？直观看来，这样的联系是不可能的。除非二者之间有超距瞬时的信号存在。由此，爱因斯坦得出结论：玻尔等人对量子论的概率解释是站不住脚的。虽然这一思想实验在玻尔随后的反击下，没有达到爱因斯坦的目的，但它却引领着人们在这一领域开展更多的研究，为后来科学的发展提供了天才的思路和启迪。在纠缠思想实验中，两个或多个处于分离状态的粒子由于曾经的相互作用而紧密关联。这在爱因斯坦看来是相当荒谬的。不过，后来的科学家们通过实验验证，证实了这种“纠缠”现象的存在。惠勒是提出验证光子纠缠态实验的第一人。1948年他指出，由正负电子对湮灭后所生成的一对光子应该具有两个不同的偏振方向。不久后，吴健雄和萨科诺夫成功地实现了这个实验，证实了惠勒的思想，生成了科学史上第一对互相“纠缠”的光子。目前，世界上有关“纠缠”实验的研究已经取得了丰硕的成果，相关研究的最新进展是，2015年美国麻省理工学院和贝尔格莱德大学的物理学家开发出了一种新技术，使单个光子成功实现了与3000个原子的纠缠。这就是思想实验在当代科学前沿中展现出的力量，即使它与爱因斯坦的初衷有所出入。

　　爱因斯坦不愧为一位思想实验大师，他对思想实验的运用达到了一个时代的巅峰。不断闪现的思想实验的光芒，将与相对论一起，长存于人类的记忆之中。

　　（作者单位：河海大学马克思主义学院）