爱因斯坦脑海中的一切

谁会相信世界是平的？或者说它固定在太空中，而宇宙围绕着它旋转？任何有两只眼睛的人都会相信。要思考另一种可能性——我们正站在一个快速旋转的球体上，在太空中飞驰——需要一番想象力。

阿尔伯特·爱因斯坦，就像他之前的尼古拉·哥白尼和伽利略·伽利雷一样，重新定义了我们对宇宙的理解，这得益于他善于将思想从不必要的信息中清除出来。事实上，他完全凭借思想进行实验，在类似《黑客帝国》中的构造物中进行——一个完全空旷的空间，只填充了他实验必需的物品。一个时钟。一列火车。一束光。一两个观察者。一部电梯。“想象一大片空旷的空间，远离恒星和其他可观的质量，”爱因斯坦描述他的心智构造时说道。

利用这些元素，再加上一些基本的物理原理，爱因斯坦得出了令人费解但又不可避免的结论，推翻了所有物理学。通过狭义相对论，他表明时间和空间是相互交织的，而不是由相同的网格线和对每个人都一样的滴答规律来划分的。十年后，通过广义相对论，他发现引力实际上扭曲了空间和时间。

这一切都始于爱因斯坦16岁时，他脑海中浮现出一个生动的想法：与一束光赛跑会是怎样的体验？这个想法看起来足够无害；如果我在高速公路上与一名司机并驾齐驱并与他速度相同，我们就会相对静止。我可以说，是外面的景色在我们身后倒退，就好像我们在玩街机赛车游戏一样。爱因斯坦想知道这是否也适用于光束。如果他开得足够快，他能否与光束并驾齐驱，使其几乎静止？对于这样一个光速旅行者来说，世界会是什么样子？

正是爱因斯坦的想象力使他能够进行飞跃并建立联系，而他的同代人却无法做到。他用类比来解释他的见解：“当一只盲甲虫爬过一个弯曲的树枝表面时，它没有注意到它所经过的轨迹确实是弯曲的。我很幸运地注意到了甲虫没有注意到的东西。”

伽利略的船 爱因斯坦的思想实验是物理学伟大传统的一部分。“爱因斯坦当然没有发明思想实验，”凯尼恩学院的物理学家本·舒马赫说。“你可以追溯到伽利略，我认为爱因斯坦在某些方面受到了伽利略的启发。”

在17世纪，这位意大利文艺复兴时期的巨匠用一个思想实验来解释为什么即使地球围绕太阳高速运动，我们却感觉不到这种运动。他想象自己被关在一个平稳航行的船的无窗船舱里，并进行各种实验：与船员抛球，或者观察船舱里鱼缸中游动的宠物鱼的轨迹。伽利略意识到这些实验无法告诉你船是否在移动。无论船是在航行还是停泊在港口，你都不必以不同的方式抛球给你的朋友。

只有通过向外看，并获得一个参照点，你才能确定船是否在移动。地球表面也是如此：当地球自转和公转时，万物都随之运动——树木、海洋、空气、我们。我们只有通过观察我们相对于太阳或恒星的位置才能注意到地球的运动。

爱因斯坦认为伽利略的思想实验具有更深远的意义。舒马赫解释说：“物理定律不会告诉你你是否在移动。这是他从伽利略那里得到的教训。”换句话说，不仅仅是抛球无法告知你船的速度。爱因斯坦相信，任何在无窗船舱内进行且没有参照外部世界的实验，都无法检测到船的运动。

其中一项物理定律是最近发现的光速。在19世纪60年代，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发展了电磁理论，描述了电场的变化如何产生磁场，反之亦然。结合起来，这些波动场被称为电磁波，为我们提供了可见光，以及不可见的无线电波、微波和X射线。爱因斯坦对麦克斯韦理论中预测光束以每小时6.71亿英里的速度传播（通常称为光速）的部分特别感兴趣。

所以爱因斯坦决定将光速加入伽利略的思想实验。“即使你不仅仅对球和鱼做实验，你也对光做实验，那么你也无法判断船是否在移动，”舒马赫谈到爱因斯坦的思考过程时说。

首先，爱因斯坦将伽利略的船更新为更适合1900年代的选择：火车。想象一个火车乘客——为了纪念这位意大利科学家，我们称她为“盖尔”——打开手电筒并测量光线传播的速度。麦克斯韦的理论告诉爱因斯坦，盖尔应该计算出每小时6.71亿英里。伽利略的思想实验表明，无论火车行驶多快，她都应该得到完全相同的结果。到目前为止，一切顺利。但是“里奥”，一个站在火车月台上的旁观者，看到了什么呢？

日常经验会让你误入歧途：你可能会认为里奥会测量光线以每小时6.71亿英里加上火车的速度传播。自艾萨克·牛顿时代以来，常识和物理数学都表明速度是简单相加的：如果盖尔以每小时30英里的速度朝着火车行驶的方向抛球，里奥测量的球的总速度是每小时30英里加上火车的速度。但麦克斯韦的理论要求光线以精确的每小时6.71亿英里传播，不多不少，无论火车的速度如何。这种明显的矛盾让爱因斯坦感到困惑。

时间变慢，空间收缩 他最终通过重新审视追逐光束的想法，解决了这个矛盾——并彻底改变了物理学。根据牛顿的理论，如果你能跑得足够快，你就应该能够与光束并驾齐驱。但在爱因斯坦的空想构造中，没有地标来帮助衡量你移动的速度，与光束并驾齐驱就相当于将光的​​速度测量为0英里/小时，这与麦克斯韦定律直接冲突。爱因斯坦意识到，不可能追上光束的前端。

因此，光束竞赛的结果“有点虎头蛇尾，”爱因斯坦手稿注释版的爱因斯坦论文项目科学编辑丹尼斯·莱姆库尔承认。“从某种意义上说，这正是实验的重大结果——它不起作用。”有了这个认识，爱因斯坦终于能够理解盖尔/里奥的思想实验，但前提是必须重新定义我们对空间和时间的日常概念。

我们倾向于将时间和空间视为完全独立的实体。我们在空间的三维中移动，而时间则不可阻挡地向前推进。我们也假设时间和空间对每个人、在任何地方都是相同的。一英里就是一英里，一小时就是一小时。

正是对这些基本假设的质疑激发了爱因斯坦的想象力。他意识到，为了让一个快速移动的观察者测量到与静止观察者相同的光速，普遍公认的空间和时间概念就失效了。“世界上没有随处可闻的滴答声可以被视为时间，”爱因斯坦说。两个相对运动的人会以不同的方式体验时间。

从利奥在站台上的角度来看，盖尔会经历时间的减慢。对利奥来说，盖尔的手表会走得很慢。并不是盖尔的手表有什么问题。是她自身的时间变慢了。事实上，火车上任何计时设备都会变慢，甚至包括心跳。没错——盖尔会比利奥老得慢。

别忘了伽利略的教训：坐在火车上，盖尔无法判断自己是否在运动。这意味着她完全有理由说利奥在她身后疾驰而过，而他的手表走得慢是因为他正在移动。如果你坚持认为盖尔在运动，那么在爱因斯坦的构造中，让盖尔和利奥漂浮在空旷、无特征的空间中，再次尝试这个思想实验。他们中的任何一个人都可以准确地断言是对方飘过去了。盖尔现在声称利奥老得更慢，而利奥则发誓相反。这种情况——被称为双生子佯谬——可以通过其中一方改变方向以重新团聚并最终比较年龄来解决。

为了理解时间变慢的概念，想象一个特殊的时钟，光束在两面镜子之间反弹，一面悬挂在另一面之上。每次光束往返一次，时钟就“嘀嗒”一声。我们把这样的光钟分别给盖尔和里奥。从里奥在站台上的有利位置看，盖尔的光束并没有走纯粹的上下路径。在两次镜子之间的每次旅程中，火车都会向前移动一点。所以里奥看到盖尔的光束描绘出一条更长的对角线路径才能到达下一面镜子——换句话说，盖尔的时钟走得更慢。（同样，盖尔也会看到同样的情况发生在里奥的时钟上。）

奇怪之处还不止于此。利奥还会看到火车以及随之移动的一切都收缩了。对利奥来说，它变短了。别担心，盖尔没事。只是空间并非我们所假设的那样不可变、僵硬的结构。不幸的是，没有简单的方法来理解这一点，但时间变慢和长度收缩是同一枚硬币的两面。为了让所有观察者都能得到相同的光速答案——记住，速度只是距离除以时间——这两种效应必须共存。

尽管盖尔的时钟走得慢，或者她和火车被压缩，听起来很离奇，但狭义相对论自1905年发表以来，已经通过了所有实验测试。它已成为物理学的一大支柱。高速粒子的行为——无论是物理学家对撞机的结果还是太阳的核聚变炉——只有用狭义相对论才能解释。

它变得更疯狂 尽管如此，狭义相对论的范围是有限的，因此得名“狭义相对论”——它只适用于物体以恒定速度运动的情况。爱因斯坦并不满足。他想要一个涵盖所有运动的理论，无论速度是恒定还是可变的。

就像狭义相对论源于一个简单的想法（光束竞赛）一样，广义相对论也是如此。故事是这样的，1907年的一天，爱因斯坦在瑞士伯尔尼的专利局工作时，他想象了一个自由落体的人，就像一个工人从高高的脚手架上掉下来一样。灵光一现。如果他在坠落时掉落一个物体——比如说，一个苹果——会怎样？

爱因斯坦的想象力再次清除了附近脚手架和逼近地面的所有累赘细节。他意识到，在松开苹果后，坠落的工人会看到苹果停留在他松开的地方，悬浮在那里，因为他们都以相同的速度坠落。

并不是引力“关闭”了。由于所有物体都以相同的速度下落，并且爱因斯坦的心理构造中没有其他线索，工人会觉得自己漂浮在太空中。（我们今天从空间站宇航员的镜头中可以间接感受到这种“零重力”状况，他们并非处于地球引力场之外，而是在绕地球轨道运行时的自由落体状态。）爱因斯坦后来将这个下落工人的思想实验描述为“我一生中最幸福的想法”，因为它为他的广义相对论提供了必要的启动。

继续深入思考，想象一下这位工人现在安全地置身于太空中的一个无窗舱体中。飞船的引擎点火，地板迅速升起与他相遇。这位从工人转变为宇航员的人现在发现自己被压在地板上，就像你现在被压在座位上一样。如果他现在放下苹果，他会看到苹果掉到地板上。飞船的加速恢复了他对重力的感觉。

这两个想法——自由落体感觉与在无重力空间中静止相同，以及在太空中向上加速感觉与在重力场中静止相同——构成了所谓的等效原理。有了它，爱因斯坦意识到加速度和重力的效应是等效的。

扭曲的时空 爱因斯坦从狭义相对论中获得的主要见解是，他把伽利略的力学实验用光来尝试。因此，他对等效原理也采用了相同的策略。“众所周知，引力场会影响物体的运动，”爱因斯坦开始说，“当我们对光线进行类似的考虑时，我们会得到一个具有根本重要性的新结果。”

想象一下，你现在是一个孤独的宇航员，漂浮在爱因斯坦思想构造的空虚中。你决定用宇航服内置的激光笔发出求救信号。就在你开始发出光线时，一艘宇宙飞船疾驰而过，加速超过了你。你希望他们能瞥见你的信号。

从你的角度看，从你的宇航服发出的光束径直向前传播。当飞船疾驰而过时，光线幸运地击中了一扇窗户。但当光线穿过飞船时，飞船继续加速。当光线最终击中飞船的后壁时，它击中的位置比它进入窗户的位置要低。所以，从飞船内部看，你看到的直线传播的光束反而显得弯曲了。

记住：加速度的真理也适用于引力。加速飞船上的乘客看到，你的求救信号发出的光在穿过飞船时走过了一条弯曲的弧线。因此，根据等效原理，爱因斯坦意识到引力一定会使光弯曲！更准确地说，引力扭曲了空间本身。光，就像一个在大变形的蹦床上滚动的弹珠，遵循空间的曲率。1919年，天文学家在日食期间直接观测到太阳周围的光线弯曲。

在另一个思想实验中，爱因斯坦利用等效原理表明引力也会扭曲时间。他想象一个时钟放置在一个旋转圆盘的边缘。这不是我们经常遇到的装置，所以我们可以想象一个游乐园的游乐设施，你站在一个大桶里，背靠墙壁。桶开始旋转，把你紧紧地压在外壁上。同样，这种力相当于让你坐在椅子上的引力。但与此同时，狭义相对论已经表明，运动中的时钟会走得更慢，所以当你飞驰时，对外部旁观者来说，你的时间会显得走得慢，就像火车上的盖尔一样。事实上，嘉年华游乐设施转得越快，你的手表滴答声就越慢。因此，由于等效原理，同样的情况也适用于引力：随着引力场的增强，时间流逝得更慢。

这种时间扭曲具有日常影响，因为地球引力会影响轨道上的GPS卫星。由于它们远离地球中心，因此它们感受到的引力比我们在地面上感受到的要弱，所以它们的时钟走得更快一点。然而，卫星也以非常高的速度绕轨道运行，这意味着由于狭义相对论，它们的时钟也会走得更慢。这两种效应并不能完全抵消，所以总的来说，卫星上的车载时钟每天会快约38微秒。如果不考虑狭义相对论和广义相对论，GPS确定的位置每天会偏离多达6.2英里。

思想的遗产 “爱因斯坦在相对论方面的几乎每一次进步都以思想实验为基础，”凯尼恩学院物理学家舒马赫说。甚至著名的方程E = mc2也不是直接测量得出的，而是来自心理图像。“这是一个荒谬的例子——一辆被光推动的火车车厢，”舒马赫描述实验的简单性时说道。

想象一节封闭的火车车厢停在轨道上。突然，后壁向前方发射一个光粒子。这导致火车车厢向后反冲，就像你从漂浮独木舟的后部走到前部一样：独木舟在水中向后滑动。当光粒子撞击火车车厢的前壁时，它使车厢的后退运动停止。在此过程中，车厢向后移动了一点。爱因斯坦知道火车车厢不会自动沿着轨道移动，因此只有当车厢的一些质量从后壁移动到前方时，后退运动才可能发生——就像你的质量转移到独木舟的前方一样。这意味着被前壁吸收的光能已转化为质量。

这一关键洞察——能量与质量本身是等价的——是核能和核武器的核心。这个方程告诉我们具体细节：能量等于质量乘以光速的平方。由于光速是一个巨大的数字（回想一下，每小时6.71亿英里），即使是最小的质量也能产生令人难以置信的能量。

这一切都源于爱因斯坦脑海中的空想构造。1916年，他撰写了一本关于他的相对论的普及读物。“如果直接翻译，原标题应该是‘狭义相对论和广义相对论：为普通人所理解’，”爱因斯坦论文项目的编辑莱姆库尔说。但爱因斯坦认识到，即使是他自己也可能无法让他的教义非常容易理解，他开玩笑说“普通人可能没那么普通”。所以，如果你觉得还没有掌握思想实验，不要绝望——是爱因斯坦让它们看起来很容易。

[本文最初以“皆在他脑中”为题刊载于纸质版。]