你大脑里的物理实验室
坚实的实验基础永远是物理学的奠基。但我们探究的问题往往会超越实验的可行范围，这时候就需要我们大脑里用严谨的逻辑思维构建出的实验室进行“思想实验”。
撰文：Sean Carroll
编译：二十八颗牙爱吃肉
当一片羽毛和一块石头同时掉落，石头会先落地。现在大家都知道是因为受空气阻力的影响。而在公元前的古希腊，亚里士多德认为是因为重的物体掉落的速度比较快。
△伽利略的著作《两种新科学》。（图片来源：Bodleian Library）
两千年后的伽利略对此提出了异议。在伽利略的最后一本书《两种新科学》中设想了一个思想实验：考虑有两块不同重量的石头，（如果亚里斯多德是对的）它们将以不同的速度下落。现在想象把两块石头用一根细绳连起来。
绳子相对于石头很轻，并假设对石头运动的影响忽略不计。那被连起来的两块石头因为下落的速度不同，绳子会被拉紧，较轻的石头会减慢较重石头的下降速度。但根据亚里士多德的推算，两块石头加起来因为质量增加了而会落得更快，两个结果互相矛盾。所以伽利略猜想，如果空气阻力的影响可以忽略不计的话，物体下落的速度与其质量无关。这也是著名的比萨斜塔上的实验证明的观点。
△ 爱因斯坦宣称没有任何物理测量能区别在左图（加速中的火箭）和右图（在地球上）中红色小球的运动。换句话说，加速度可以“欺骗”你，让你觉得是在引力场中。（图片来源： Wikimedia Commons user Markus Poessel）
思想实验在科学的发展过程中扮演着重要的角色。其中一个最重要的实践者就是爱因斯坦。在探究引力的问题时，爱因斯坦提出了这样一个构想：想象一下你在一个密闭的房间里，需要计算里面的引力场。你可能会扔出一些物体，然后通过测量他们的速度来推算引力。但是如果你在高速上升或下降的电梯里，或飞速行驶的火箭中，再做这些速度测量，又该如何区分引力和加速度的影响？结果是并没有办法来区分你所在环境的差异。因此，爱因斯坦总结引力为时空本身的特征 （即它的曲率），而不是自然力。
△ 同时处于生和死的薛定谔猫。
在另一个会让动物保护者奋起抗议的思想实验中，薛定谔指出：衰变的量子粒子可以产生一只同时存活和死亡的猫。尽管作为量子力学的创始人之一，薛定谔不愿意接受这个结果最令人惊讶的含义：量子理论是不完备的。但从那以后，人们开始辩论是否应该真正接受同时死亡和活着的猫的可能性。 从而引出了量子物理的蓬勃发展。
△ 落入黑洞的信息去哪里了？（图片来源：E.Siegel）