趣·事
物理学史上的著名理想实验（4）
——爱因斯坦与他的理想实验
在物理学发展的历史中，理想实验以其独特方式在物理学发展的许多关键时刻发挥了重要作用，直接或间接地导致了许多物理规律的发现和物理理论的建立。无论是1905年建立狭义相对论，还是1915年建立广义相对论，爱因斯坦在其物理学研究的过程中，都因运用理想实验而显得深刻、严密和精彩。本期疯狂物理带大家欣赏物理学史上爱因斯坦与他的理想实验。
1905年，年轻的爱因斯坦终于找到了新理论的突破口，即发现相对性原理。爱因斯坦是用一个理想实验：当两道闪电同时下击一条东西方向的铁轨时，对于坐在两道闪电正中间的铁轨旁的第一个观察者来说，两道闪电是同时发生的；但是对于坐在由西向东行驶的列车上正好经过第一个观察者的第二个观察者来说，两道闪电并不是同时下击的，因为第二个观察者正在以一个速度接近东方的闪电而远离西方的闪电，东方的闪电到达他的眼里要比西方的闪电早一点。所以，在第一个静止的观察者看来是同时发生的闪电，运动中的第二观察者却看到东方的闪电先亮而西方的闪电后亮。如果进一步设想火车是以光速前进的，则西方的闪电永远不能追上火车，所以火车上的第二个观察者就只能看到东方的那一道闪电了。
由此，我们不能得到这样的结论：在铁轨旁的第一个观察者看来是同时发生的两件事，而在火车上的第二个观察者看来却并不是同时发生的。显然，同时性只能是相对的。事实上，每一个坐标都有它本身的特殊时，脱离参照系而孤立地陈述某一事件的时间是没有意义的。
“爱因斯坦列车”理想实验形象而生动地揭示了同时的相对性，从根本上否定了牛顿的绝对时空观。相对性原理是爱因斯坦建立狭义相对论的基本出发点。
狭义相对论建立以后，爱因斯坦并没有止步。爱因斯坦考虑应该把相对性原理推广到任意参照系中，建立更为普遍的物理理论。他后来写到：“物理学的定律必须具有这样的性质，它们对于以无论哪种方式运动着的参照系都是成立的。沿着这条道路，我们就达到了相对合理的扩充。”“普遍的自然规律是由那些对于一切坐标系都有效的方程来表示的。”
那么，推广应该从哪里入手呢？首先要解决的问题是什么呢？我们知道，只有当系统不受外力或外力为零时才能作为惯性参考系。地球上的物体要受到地球的引力；地球处于太阳系中，要受到银河系各星体的引力……自然界各物体之间普遍存在的引力，说明要把相对论原理推广到任意参照系，引力是不可回避的问题，首先必须研究引力。
问题的决定性突破，是由一个天才的理想实验取得的。用爱因斯坦1922年回忆创建广义相对论过程的话说：“有一天，突破口突然找到了。当时我正坐在伯尔尼专利局办公室里，脑子里突然闪现了一个念头：如果人正在自由下落，他决不会感到他有重量。我吃了一惊，这个简单的理想实验给我的印象太深刻了，它把我引向引力理论。我继续想下去：下落的人正在做加速运动，可是在这个加速参照系中，他有什么感觉？他如何判断面前所发生的事情？”这就是被物理学家称为“爱因斯坦电梯”的理想实验。下面我们具体看一下这个理想实验：
爱因斯坦假设，理想电梯中装有各种实验用具，并且有一位实验物理学家在里面安心地进行各种测量。当电梯相对于地球静止的时候，电梯里的实验物理学家将测出电梯里的一切物体都受到一种力。若没有其他的力与这种力相平衡，这种力就会使物体落向电梯的地板，并且所有物体下落时的加速度是相同的。由此，实验物理学家能够得出结论：他所在的这个电梯受到外界的引力作用。
如果让电梯本身做自由下落的运动，实验物理学家将会发现，电梯里的一切物体都不再受到原来那种力的作用，物体的加速度没有了，电梯里的一切都不再表现出任何受引力的迹象。苹果和羽毛皆可以自由地停留在空间，实验物理学家可以在电梯底部行走，也可以在电梯顶部或侧壁行走，各种行走所需的力气完全相同。此时，实验物理学家通过观测任何物体的任何力学现象都不能获得任何引力存在的迹象。
爱因斯坦进一步指出，在理想电梯中，那位实验物理学家不仅通过力学现象得不到引力存在的迹象，而且通过其他任何物理实验都不能得到引力存在的迹象。这就是说，在这个理想电梯的参照系中，引力被完全消除了。电梯中的实验物理学家既不可能通过物理现象来判断电梯外面是否存在一个地球这样的引力作用源，也不能测量出自己的电梯是否在做加速运动。这就像伽利略设计的萨尔维阿蒂大船，船里的观察者无法通过物理现象判断大船是否运动一样。
通过电梯的理想实验，爱因斯坦发现了引力的最重要的特性：可以在任何一个局部范围内找到一个参照系，使其中的引力作用被全部消除。引力的这一特性是物理学中其他力都没有的。因为电磁力、粒子间的强相互作用力和弱相互作用力，都是不可能用选择适当参照系的方法完全消除的。
“爱因斯坦电梯”理想实验抽象出广义相对论的一个重要原理，即等效性原理：一个相对于惯性系做匀加速运动的非惯性系与存在引力场等效。有了等效性原理这座桥梁，爱因斯坦就能够顺利地把相对性原理从惯性系推广到非惯性系，即推广到任意参照系，于是广义相对论的建立有了关键性的突破。
阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein），人类历史上最具创造性才智的人物之一。他一生中开创了物理学的四个领域：狭义相对论、广义相对论、宇宙学和统一场论。他是量子理论的主要创建者之一，在分子运动论和量子统计理论等方面也做出了重大贡献。爱因斯坦是20世纪最伟大的科学家、思想家。他的科学思想、哲学（科学哲学、社会哲学、人生哲学）思想都是颇有见地、不同凡响的。爱因斯坦对现代物理学的贡献无人可以匹敌，他在科学生涯中始终孜孜以求，探寻物理学领域的普遍的、恒定不变的规律。他的理论涵盖自然界的一切基本问题，大到宇宙、小到次原子粒子。他修正了时间和空间、能量和物质的传统概念。他的相对论不仅冲击了牛顿以来经典物理学理论体系，改变了传统的空间、时间观念。爱因斯坦开创了现代科学技术新纪元，被公认为是继伽利略和牛顿之后最伟大的物理学家。
何为“千篇万律？”
宋·苏轼《答王庠书》：“今程试文字，千人一律，考官亦厌之。”千篇一律，形容一种机械的重复。
而物理学是有趣有理的，物理人也是幽默理性的，李小杨曰：“千篇万律，方显有趣灵魂！”接下来，疯狂物理将与你相约1000个物理故事，感悟10000个规律。
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