十个著名的思想实验,看完请淡定[模版]

第一篇：十个著名的思想实验,看完请淡定[模版]

十个著名的思想实验，看完请淡定 来源： 邵峰的日志

10.电车难题（The Trolley Problem）

“电车难题”要数伦理学领域最为知名的思想实验之一，其内容大致是：一个疯子把五个无辜的人绑在电车轨道上。一辆失控的电车朝他们驶来，并且片刻后就要碾压到他们。幸运的是，你可以拉一个拉杆，让电车开到另一条轨道上。但是还有一个问题，那个疯子在那另一条轨道上也绑了一个人。考虑以上状况，你应该拉拉杆吗？

解读：

电车难题最早是由哲学家Philippa Foot提出的，用来批判伦理哲学中的主要理论，特别是功利主义。功利主义提出的观点是，大部分道德决策都是根据“为最多的人提供最大的利益”的原则做出的。从一个功利主义者的观点来看，明显的选择应该是拉拉杆，拯救五个人只杀死一个人。但是功利主义的批判者认为，一旦拉了拉杆，你就成为一个不道德行为的同谋——你要为另一条轨道上单独的一个人的死负部分责任。然而，其他人认为，你身处这种状况下就要求你要有所作为，你的不作为将会是同等的不道德。总之，不存在完全的道德行为，这就是重点所在。许多哲学家都用电车难题作为例子来表示现实生活中的状况经常强迫一个人违背他自己的道德准则，并且还存在着没有完全道德做法的情况。

9．空地上的奶牛（The Cow in the field）

认知论领域的一个最重要的思想实验就是“空地上的奶牛”。它描述的是，一个农民担心自己的获奖的奶牛走丢了。这时送奶工到了农场，他告诉农民不要担心，因为他看到那头奶牛在附件的一块空地上。虽然农民很相信送奶工，但他还是亲自看了看，他看到了熟悉的黑白相间的形状并感到很满意。过了一会，送奶工到那块空地上再次确认。那头奶牛确实在那，但它躲在树林里，而且空地上还有一大张黑白相间的纸缠在树上，很明显，农民把这张纸错当成自己的奶牛了。问题是出现了，虽然奶牛一直都在空地上，但农民说自己知道奶牛在空地上时是否正确？

解读：

空地上的奶牛最初是被Edmund Gettier用来批判主流上作为知识的定义的JTB（justified true belief）理论，即当人们相信一件事时，它就成为了知识；这件事在事实上是真的，并且人们有可以验证的理由相信它。在这个实验中，农民相信奶牛在空地上，且被送奶工的证词和他自己对于空地上的黑白相间物的观察所证实。而且经过送奶工后来的证实，这件事也是真实的。尽管如此，农民并没有真正的知道奶牛在那儿，因为他认为奶牛在那儿的推导是建立在错误的前提上的。Gettier利用这个实验和其他一些例子，解释了将知识定义为JTB的理论需要修正。

8．定时炸弹（The Ticking Time Bomb）

如果你关注近几年的政治时事，或者看过动作电影，那么你对于“定时炸弹”思想实验肯定很熟悉。它要求你想象一个炸弹或其他大规模杀伤性武器藏在你的城市中，并且爆炸的倒计时马上就到零了。在羁押中有一个知情者，他知道炸弹的埋藏点。你是否会使用酷刑来获取情报？

解读：

与电车难题类似，定时炸弹情景也是强迫一个人从两个不道德行径中选择的伦理问题。它一般被用作对那些说在任何情况下都不能使用酷刑的反驳。它也被用作在极端形势下法律——就像美国的严禁虐囚的法律——可以被放在第二位的例子。归功于像《24小时》的电视节目和各种政治辩论，定时炸弹情景已成为最常引用的思想实验之一。今年早些时候，一份英国报纸提出了更为极端的看法。这份报纸提议说，如果那个恐怖分子对酷刑毫无反应，那么当局者是否愿意拷打他的妻子儿女来获取情报。

7．爱因斯坦的光线（Einstein’s Light Beam）

爱因斯坦著名的狭义相对论是受启于他16岁做的思想实验。在他的自传中，爱因斯坦回忆道他当时幻想在宇宙中追寻一道光线。他推理说，如果他能够以光速在光线旁边运动，那么他应该能够看到光线成为“在空间上不断振荡但停滞不前的电磁场”。对于爱因斯坦，这个思想实验证明了对于这个虚拟的观察者，所有的物理定律应该和一个相对于地球静止的观察者观察到的一样。

解读：

事实上，没人确切知道这意味着什么。科学家一直都在争论一个如此简单的思想实验是如此帮助爱因斯坦完成到狭义相对论这如此巨大的飞跃的。在当时，这个实验中的想法与现在已被抛弃的“以太”理论相违背。但他经过了好多年才证明了自己是正确的。

6．特修斯之船（The Ship of Theseus）

最为古老的思想实验之一。最早出自普鲁塔克的记载。它描述的是一艘可以在海上航行几百年的船，归功于不间断的维修和替换部件。只要一块木板腐烂了，它就会被替换掉，以此类推，直到所有的功能部件都不是最开始的那些了。问题是，最终产生的这艘船是否还是原来的那艘特修斯之船，还是一艘完全不同的船？如果不是原来的船，那么在什么时候它不再是原来的船了？哲学家Thomas Hobbes后来对此进来了延伸，如果用特修斯之船上取下来的老部件来重新建造一艘新的船，那么两艘船中哪艘才是真正的特修斯之船？

解读：

对于哲学家，特修斯之船被用来研究身份的本质。特别是讨论一个物体是否仅仅等于其组成部件之和。一个更现代的例子就是一个不断发展的乐队，直到某一阶段乐队成员中没有任何一个原始成员。这个问题可以应用于各个领域。对于企业，在不断并购和更换东家后仍然保持原来的名字。对于人体，人体不间断的进行着新陈代谢和自我修复。这个实验的核心思想在于强迫人们去反思身份仅仅局限在实际物体和现象中这一常识。

5．伽利略的重力实验（Galileo’s Gravity Experiment）

为了反驳亚里士多德的自由落体速度取决于物体的质量的理论，伽利略构造了一个简单的思想实验。根据亚里士多德的说法，如果一个轻的物体和一个重的物体绑在一起然后从塔上丢下来，那么重的物体下落的速度快，两个物体之间的绳子会被拉直。这时轻的物体对重物会产生一个阻力，使得下落速度变慢。但是，从另一方面来看，两个物体绑在一起以后的质量应该比任意一个单独的物体都大，那么整个系统下落的速度应该最快。这个矛盾证明了亚里士多德的理论是错误的。

解读：

这个思想实验帮助证明了一个很重要的理论：无论物体的质量，不考虑阻力的情况下，所有物体自由落体的速率都是一样的。

4．猴子和打字机（Monkeys and Typewriters）

另一个在流行文化中占了很大分量的思想实验是“无限猴子定理”，也叫做“猴子和打字机”实验。定理的内容是，如果无数多的猴子在无数多的打字机上随机的打字，并持续无限久的时间，那么在某个时候，它们必然会打出莎士比亚的全部著作。猴子和打字机的设想在20世纪初被法国数学家Emile Borel推广，但其基本思想——无数多的人员和无数多的时间能产生任何/所有东西——可以追溯至亚里士多德。

解读：

简单来说，“猴子和打字机”定理是用来描述无限的本质的最好方法之一。人的大脑很难想象无限的空间和无限的时间，无限猴子定理可以帮助理解这些概念可以达到的宽度。猴子能碰巧写出《哈姆雷特》这看上去似乎是违反直觉，但实际上在数学上是可以证明的。这个定理本身在现实生活中是不可能重现的，但这并没有阻止某些人的尝试：2003年，一家英国动物园的科学家们“试验”了无限猴子定理，他们把一台电脑和一个键盘放进灵长类园区。可惜的是，猴子们并没有打出什么十四行诗。根据研究者，它们只打出了5页几乎完全是字母“s”的纸。

3．中文房间（The Chinese Room）

“中文房间”最早由美国哲学家John Searle于20世纪80年代初提出。这个实验要求你想象一位只说英语的人身处一个房间之中，这间房间除了门上有一个小窗口以外，全部都是封闭的。他随身带着一本写有中文翻译程序的书。房间里还有足够的稿纸、铅笔和橱柜。写着中文的纸片通过小窗口被送入房间中。根据Searle，房间中的人可以使用他的书来翻译这些文字并用中文回复。虽然他完全不会中文，Searle认为通过这个过程，房间里的人可以让任何房间外的人以为他会说流利的中文。

解读：

Searle创造了“中文房间”思想实验来反驳电脑和其他人工智能能够真正思考的观点。房间里的人不会说中文；他不能够用中文思考。但因为他拥有某些特定的工具，他甚至可以让以中文为母语的人以为他能流利的说中文。根据Searle，电脑就是这样工作的。它们无法真正的理解接收到的信息，但它们可以运行一个程序，处理信息，然后给出一个智能的印象。

2．薛定锷的猫（Schrodinger’s Cat）

薛定锷的猫最早由物理学家薛定锷提出，是量子力学领域中的一个悖论。其内容是：一只猫、一些放射性元素和一瓶毒气一起被封闭在一个盒子里一个小时。在一个小时内，放射性元素衰变的几率为5

0%。如果衰变，那么一个连接在盖革计数器上的锤子就会被触发，并打碎瓶子，释放毒气，杀死猫。因为这件事会否发生的概率相等，薛定锷认为在盒子被打开前，盒子中的猫被认为是既死又活的。

解读：

简而言之，这个实验的核心思想是因为事件发生时不存在观察者，盒子里的猫同时存在在其所有可能的状态中（既死又活）。薛定锷最早提出这个实验是在回复一篇讨论量子态叠加的文章时。薛定锷的猫同时也说明了量子力学的理论是多么令人无法理解。这个思想实验因其复杂性而臭名昭著，同时也启发了各种各样的解释。其中最奇异的就属“多重世界”假说，这个假说表示有一只死猫和一只活猫，两只猫存在在不同的宇宙之中，并且永远不会有交集。

1． 缸中的大脑（Brain in a Vat）

没有比所谓的“缸中的大脑”假说更有影响力的思想实验了。这个思想实验涵盖了从认知学到哲学到流行文化等各个领域。这个实验的内容是：想象有一个疯狂科学家把你的大脑从你的体内取出，放在某种生命维持液体中。大脑上插着电极，电极连到一台能产生图像和感官信号的电脑上。因为你获取的所有关于这个世界的信息都是通过你的大脑来处理的，这台电脑就有能力模拟你的日常体验。如果这确实可能的话，你要如何来证明你周围的世界是真实的，而不是由一台电脑产生的某种模拟环境？

解读：

如果你觉得这听起来很像《黑客帝国》，那么你说对了。这部电影以及其他一些科幻作品，都是在这个思想实验的影响下创作出来的。这个实验的核心思想是让人们质疑自身经历的本质，并思考作为一个人的真正意义是什么。这个实验的最初原型可以一直追溯至笛卡尔。在他的《Meditations on the First Philosophy》一书中，笛卡尔提出了能否证明他所有的感官体验都是他自己的，而不是由某个“邪恶的魔鬼”产生的这样的疑问。笛卡尔用他的经典名言“我思故我在”来回答这个问题。不幸的是，“缸中的大脑”实验更为复杂，因为连接着电极的大脑仍然可以思考。这个实验被广泛的讨论着，有许多对于此实验前提的反驳，但仍没有人能有力的回应其核心问题：你究竟如何才能知道什么是真实？

第二篇：《十大著名思想实验》读后感

《十大著名思想实验》读后感--泉石

《十大著名思想实验》读后感

不知为何,本来应该非常有趣味的思想实验,现在读着了无趣味,并且脑子发木，《十大著名思想实验》读后感。有些实验看不懂，有些实验也不想再去多想，对错真假确难分辨。

是冲上去，还是拐弯，我想我在意的不是自己的道德审判，而是总体效用的最大化，是两个人活下来，还是六个人活下来(大概学经济的缘故吧)。这样“定时炸弹”的问题也是同理，读后感《《十大著名思想实验》读后感》。关键是人要有自己价值判断的标准，布匹都是那样的布匹，但尺子不用，自然结果不同。而每个人的“尺子”确也存在差距，这得承认并尊重。就像《公正》里讨论的，在西方人眼里，诚实与道德还有对立面呢。

我们在思维和逻辑上抓住一个点，就可以敷衍出一系列的推理很判断，它们正确，但是否又有用呢?既然要讨论特修斯什么时候是新船，什么时候是原来的船，那我们时候还要厘清，什么样的算船，什么样的不算船呢?不是奶农有没有说谎，猫死没死都成了我们脑中的推理和语言上的界定，但事实只因它真实而存在。毕竟，我们的大脑其实都在“缸中”，感知与真实总存在差距。

所以，思想实验的价值应当像伽利略这个历史上并没有做过的实验一样，为的是反思原本的观念，设法去帮助人类检验感知，接近真实。

第三篇：10个著名的思想实验（最终版）

原标题：10个著名的思想实验

思想实验是一种精神上的观念或假想，通常和谜语相似，是哲学家和科学家用以了解什么是大众思想的一种简单方法。他们的运用在如哲学和理论物理（理论物理无需做实验）等抽象领域是最为广泛的。他们像是为思想准备的一份大餐，最终给出复杂的答案。即使思想实验本身也会有无法理解的时候，这并不奇怪。下面是10个著名的思想实验，还有他们所要表达的哲学、科学和伦理意义。

10.电车难题

它是伦理学领域最为知名的思想实验之一，内容大致是：一个疯子把五个无辜的人绑在电车轨道上，一辆失控的电车朝他们驶来，且马上就要辗过他们。幸运的是，你可以拉一个拉杆，让电车开到另一条轨道上。但是还有一个问题，那个疯子在那另一条轨道上也绑了一个人。想想这个情况，你应该拉拉杆吗？

意义:

电车难题最早由哲学家Philippa Foot提出，是用来批判伦理哲学主要理论的，特别是对功利主义的批判。功利主义认为，大部分道德决策都是根据“为最多的人提供最大的利益”的原则做出的。从一个功利主义者的观点来看，明显应去拉拉杆，只杀死一个人来拯救五个人。但是功利主义的批判者反驳说，一旦拉了拉杆，你就变得不道德——你要为另一条轨道上那一个人的死负担部分的责任。然而，其他人认为，这种状况下要求你要有所作为，什么都不做也是不道德。总之，不存在完全的道德行为，这也就是重点所在。许多哲学家都用电车难题作为例子来表现现实生活中经常强迫一个人违背自己道德准则的状况，并且有的时候根本没有完全道德的做法。

9.空地上的奶牛

认知领域中一个重要的思想实验就是“空地上的奶牛”。实验是这样的，一个农民担心自己获奖的奶牛走丢了。一个送奶工来到农场后，他让农民不要担心，因为他看到那头奶牛就在附近。虽然农民很愿意相信送奶工，但他还是自己去看了下，他看到了熟悉的黑白相间条纹，为自己的奶牛在那里感到很满意。过了一会，送奶工到那里再次进行了确认。那头奶牛确实在那里，但它躲在了树林里，而且有一大张黑白相间的纸缠绕在了一棵树上，显然，农民把这张纸错当成自己的奶牛了。问题于是来了，就算奶牛一直在那里，但农民说自己知道那头奶牛在那里时是否正确？

意义:

空地上的奶牛最初被Edmund Gettier用来批判主流对知识定义的JTB（justified true belief）理论，即当人们相信一件事时，它就成为了知识；这件事事实上是真的，且可以被充分验证。实验中，农民之所以相信奶牛在那里，是送奶工证词和他自己所见黑白相间物所共同构成的结果。而之后送奶工的确认，这件事也碰巧是真实的。尽管如此，农民并非真正知道奶牛在那里，因为他认为奶牛在那里的结论是建立在错误的前提上的。Gettier利用这个实验和其他一些例子，说明了将知识定义为JTB的理论需要修正。

8.定时炸弹

如果你关注近几年的政治时事，或看过动作电影，那么你对“定时炸弹”实验肯定很熟悉。它要求你想象有一个炸弹或其他大规模杀伤性武器藏在你的城市中，并且倒计时马上将归零。城市里有一个知情者，他知道炸弹的埋藏点。你会使用酷刑来让他吐出情报吗？

意义:

与电车难题类似，定时炸弹实验也是强迫一个人从两个不道德行为中选择其一的伦理问题。它一般用来反驳那些说在任何情况下都不能使用酷刑的言论。它也被用作在极端形势下法律可以被放在第二位的情况，如美国严禁虐囚的法律。归功于《24小时》之类的电视节目，还有一些政治辩论，定时炸弹已成为最常被提起的思想实验之一。今年早些时候，一份

英国报纸提出了更为极端的看法。这份报纸说，如果这个恐怖分子对酷刑毫无反应，那么当局者是否愿意拷打他的妻子和儿女来逼他吐出情报。

7.爱因斯坦的光线

很少有人知道爱因斯坦著名的狭义相对论是受到他16岁时一个思想实验的启发。在他的著作《自述注记》中，爱因斯坦回忆道他当时幻想在宇宙中追逐一道光线。他说如果他能够以光速在光线旁边运动，那么他应该能够看到光线在空间内呈现为“不断振荡但停滞着的电磁场”。对于爱因斯坦，这个思想实验证明了对于他作为一个富有想象力的观察者，”在有相同定律和一个相对于地球静止观察者的情况下，任何事都有可能发生。”

意义:

事实上，没人真正知道这意味着什么。科学家一直都在争论一个如此简单的思想实验是如何帮助爱因斯坦完成到狭义相对论这个巨大飞跃的。在当时，这个实验中的想法与现在已被抛弃的“以太”理论相违背。“以太”理论即存在一个隐性的空间供光线穿越。他经过了好多年才证明了自己是正确，但从某种程度上这个实验对于狭义相对论是“有害的”，他自己这么说，后者第一次让他站上了理论物理学的顶点。

6.忒修斯之船

史上最为古老的思想实验之一便是被称为忒修斯之船的悖论。这个实验最早出自普鲁塔克的记载。它描述了一艘可以在海上航行几百年的船，这归功于不断的维修和部件的替换。只要一块木板腐烂了，它就会被替换掉，以此类推，直到所有的部件都不再是最初的那些。问题是，最终产生的这艘船还是原来的忒修斯之船，还是一艘完全不同的新船？如果不是原来的船了，那么从什么时候开始它不再是原来的船了？哲学家Thomas Hobbes后来对此进行了更深刻的探讨：如果有人用忒修斯之船上取下来的老部件来重新建造一艘新的船，那么两艘船中哪艘才是真正的忒修斯之船？

意义:

对于哲学家来说，忒修斯之船被用来研究身份的本质，特别是讨论一个物体是否仅仅就是其部件之和。一个更现代的例子是假设有一个乐队，到某一阶段乐队成员中不再有任何一个原始成员。这个问题还可以应用于其他如商业等领域。商业领域中，在不断并购和更换股东后仍然保留企业原来的名字；对于人体，人体不断地进行着新陈代谢和自我修复。这个实验的核心思想在于强迫人们去反问身份是否仅仅局限在实际物体和现象中这一普遍知识。

5.伽利略的重力实验

史上最早的思想实验之一，由物理和天文学家伽利略进行实验。为了反驳亚里士多德的自由落体速度取决于物体质量的理论，伽利略设计了一个简单的思想实验：根据亚里士多德的逻辑，如果一个较轻的物体和一个较重的物体绑在一起后从塔上扔下去，那么教重的物体会下落的比较快，且两个物体间的绳子会被拉紧。这时较轻的物体会对较重的物体产生一个拽力，使得重物的下落速度变慢。但是，伽利略认为两个物体绑在一起后的重量应比其中任意一个物体都大，那么一起下落的速度应该是最快的。于是他用这个矛盾证明了亚里士多德理论是错误的。

意义:

关于伽利略有一个著名的故事：有一次他从比萨斜塔扔下两个铁球，想要证明较重的物体并不较轻的物体下落速度快。现实中这个故事可能只是作为一种传奇，但这个思想实验证明了一个关于重力很重要的理论：无论物体的质量，所有物体自由落体的速率都是一样的。

4.猴子和打字机

另一个在流行文化中获得广泛关注的思想实验是“无限猴子定理”，也叫做“猴子和打字机”实验。该定理认为，如果有无数多的猴子在无限久的时间里，在无数多的打字机上随机打字，那么在某个时间点，它们“几乎必然”会打出莎士比亚的全部著作。猴子和打字机的设想在20

世纪早期由法国数学家Emile Borel推广，但其基本思想，即无数多的人员和无数多的时间能产生任何/所有东西的理论，可以追溯至亚里士多德。

意义:

简单来说，“猴子和打字机”定理是用来描述无限本质最好的方法之一。人的大脑很难想象无限的空间和无限的时间，无限猴子定理可以帮助理解这些概念。猴子碰巧能写出《哈姆雷特》，听上去是天方夜谭，但当一个人考虑到所有的可能性后，这个说法在数学上是可以被证明的。这个定理本身在现实生活中不可重现，但这并没有阻止一些人的尝试：2003年，英国修读科学的学生在一家英国动物园“试验”了无限猴子定理，他们把一台电脑和一个键盘放进了灵长类园区。可惜的是，猴子们没有打出任何十四行诗。根据研究，它们只打出了5页几乎完全是字母“s”的纸。

3.中文房间

“中文房间”最早由美国杰出哲学家John Searle于20世纪80年代初提出。这个实验要求你想象一位只会说英语的人身处一个几乎完全密闭的房间中，房间门上有一个小窗口。他有一台具有英汉翻译功能的电脑，房间里还有足够的纸、铅笔和文件柜。随后写着中文的纸片通过小窗口将被送入房间中。根据Searle的理论，房间中的人可以翻译这些文字并用中文写上他的回复。虽然他完全不会中文，但Searle认为通过这个过程，房间里的人可以让任何房间外的人以为他会说流利的中文。

意义:

Searle创造了“中文房间”思想实验来反驳电脑和其他人工智能都能够真正思考的观点。房间里的人不会说中文；他无法用中文思考。但就因为他拥有某些工具，他甚至可以让以中文为母语的人以为他能说流利的中文。Searle还说，电脑就是这样工作的。它们无法真正理解他们所给出的信息，但它们可以运行一个程序、处理信息、然后给出一个具有人工智能的印象。

2.薛定谔的猫

薛定锷的猫最早由物理学家薛定锷提出，是量子力学领域中的一个悖论。内容是：一只猫被封闭在一个盒子里一个小时，和它一起的还有一些放射性元素和一瓶毒气。在一小时内，放射性元素的衰变几率为50%。如果发生了衰变，那么会触发一个连接在盖革计数器上的锤子，打碎瓶子，释放毒气，杀死猫。因为这件事是否发生的概率相等，薛定锷认为在盒子被打开前，盒子中的猫可以同时被认为是既死又活的。

意义:

简而言之，这个实验的核心思想是因为事件发生时不存在观察者，盒子里的猫可能同时存在所有的状态（实验中既死又活）。这个观念同一个古老的谜题相似，谜题内容为，如果一棵树倒在了树木中，且没有人听到声音，那么它有没有发出声响？薛定锷最早是在回复一篇讨论量子态叠加本质的文章时提出这个实验的。薛定锷的猫同时也说明了量子力学的理论是多么奇怪。这个思想实验因其复杂性而臭名昭著，同时也产生了各种各样的解释。其中最古怪的是“多重世界”假说，这个假说表示有一只既死又活的猫，那么两只猫是存在于不同的宇宙间，且永远不会有交集。

1.缸中的大脑

没有比所谓“缸中的大脑”更有影响力的思想实验了，这个思想实验涵盖了从认知学到哲学到流行文化等各个领域。这个实验要求你想象有一个疯狂科学家把你的大脑从你体内取出，放在一个装有维持生命液体的缸中。大脑是连着电极，电极还连到一台能产生图像和感官信号的电脑上。因为你获取的所有关于世界的信息都是经由大脑过滤，这台电脑就有能力模拟你日常的体验。如果这确实可能的话，你要如何来证明你周围的世界是真实的，而不是由一台电脑所产生的模拟环境？

意义:

如果你觉得这一切听起来很像《黑客帝国》，你说对了。这部电影以及其他一些科幻小说和电影，都受到了这个实验很大的影响。这个实验的核心思想是让人们质疑经历的本质，并思考作为一个人的真正意义是什么。这个实验的原型可以追溯至笛卡尔，由希拉里·普特南推广。在笛卡尔的《第一哲学沉思录》一书中，笛卡尔提出了是否证明能他所有的感官体验都是他自己的，而不是由某个“邪恶魔鬼”所产生的幻想。笛卡尔用他的经典名言“我思故我在”回答了这个问题。不幸的是，“缸中的大脑”将问题复杂化了，因为连着电极的大脑仍然可以思考。这个实验被哲学家广泛讨论，也有许多针对实验前提的反驳，但仍没有人能有力的回应其核心问题：你到底怎么才能知道什么是真实？

第四篇：物理学中十大著名的思想实验

物理学中十大著名的思想实验

在物理学中，有一类特殊的实验：它们不需要购置昂贵的仪器，不需要大量的人力物力，需要的只是有逻辑的大脑；而这种实验却可以挑战前人的结论，建立新的理论，甚至引发人们对世界认识的重新思考。这种实验就是传说中的思想实验。历史上的许多伟大物理学家，都曾设计过发人深思的思想实验，伽利略、牛顿、爱因斯坦便是其中的代表，这些思想实验不仅对物理学的发展有着不可磨灭的作用，更是颠覆了人们对世界对宇宙的认识。这篇文章将从易到难地介绍一下物理学历史上的几个著名思想实验。

1.惯性原理

自从亚里士多德时代以来，人们一直以为力是运动的原因，没有力的作用物体的运动都会静止。直到伽利略提出了下面这一个家喻户晓的思想实验，人们才知道了惯性原理——一个不受任何外力(或者合外力为0)的物体将保持静止或匀速直线运动：

设想一个一个竖直放置的V字形光滑导轨，一个小球可以在上面无摩擦的滚动。让小球从左端往下滚动，小球将滚到右边的同样高度。如果降低右侧导轨的斜率，小球仍然将滚动到同样高度，此时小球在水平方向上将滚得更远。斜率越小，则小球为了滚到相同高度就必须滚得越远。此时再设想右侧导轨斜率不断降低以至于降为水平，则根据前面的经验，如果无摩擦力阻碍，小球将会一直滚动下去，保持匀速直线运动。

在任何实际的实验当中，因为摩擦力总是无法忽略，所以任何真实的实验都无法严格地证明惯性原理，这也正是古人没有得出惯性原理的原因。然而思想实验就可以做到，仅仅通过日常经验的延伸就可以让任何一个理性的人相信惯性原理的正确性，这一最简单的思想实验足以体现出思想实验的锋芒！

2.两个小球同时落地

仍是受亚里士多德的影响，伽利略之前的人们以为越重的物体下落越快，而越轻的物体下落越慢。伽利略在比萨斜塔上的著名实验人尽皆知，可是很多人不知道的是，其实在这之前伽利略已经通过一个思想实验证明了两个小球必须同时落地：

如果亚里士多德的论断是对的话，那么不妨设想把一个重球和一个轻球绑在一起下落。由于重的落得快而轻的落得慢，轻球会拖拽住重球给它一个阻力让它减速，因此俩球的下落速度应该会介于重球和轻球下落速度之间。然而，如果把两个球看成一个整体，则总重量大于重球，它应当下落得比重球单独下落时更快的。于是这两个推论之间自相矛盾，亚里士多德的论断错误，两个小球必须同时落地。有了上述思想实验，实际上两个小球同时落地就已经不仅是一个物理上成立的定律了，而是在逻辑上就必须如此。在这个例子中，思想实验起到了真实实验无法达到的作用：即便在我们高中所学的牛顿引力理论不适用的情形，两个小球同时落地依然是成立的！后面我会讲到广义相对论中的等效原理，这个思想实验在逻辑上的必然成立是爱因斯坦总结出等效原理的关键因素。

3.牛顿的大炮

如图，一门架在高山上的大炮以很高的速度向外水平地发射炮弹，炮弹速度越快，就会落到越远的地方。一旦速度足够快，则炮弹就永远也不会落地，而是会绕着地球作周期性的运动。

牛顿的这一简单的思想实验，第一次让人们认识到，原来月球不会掉到地上来（也不会飞走）的原因，正是导致苹果落地的引力！牛顿的引力理论促成了人们认识上的一个飞跃：天上的东西并不“神圣”，他们遵循的规律和地上的普通物体完全一致。

4.水桶实验

用长绳吊一水桶，让它旋转至绳扭紧，然后将水注入，水与桶暂时都处于静止中，这时显然液面水平。再突然使桶反方向旋转，刚开始的时候水面并未跟随着运动，此时水面仍然水平。但是后来，桶逐渐把运动传递给水，使水也开始旋转，就可以看到水渐渐离开其中心而沿桶壁上升形成凹面。运动越快，水升的越高。倘若此时突然让桶静止，水由于惯性仍将旋转，此时的液面仍为凹面。牛顿认为，水面的下凹，不是由水对周围的相对运动造成的，而是由水的绝对的、真正的圆周运动造成的，因此由水面的下凹就可以判断绝对运动的存在。

这一思想实验，是牛顿为了论证绝对空间的存在而设计出来的。然而，众所周知，牛顿的绝对时空观其实是错误的，也就是说这一思想实验其实是个失败的例子。这一谬误，在100多年之后才被哲学家兼物理学家马赫所指出。马赫认为，水面的凹陷，并不是由于水相对于“绝对空间”的运动，而是由于相对宇宙间的所有其他物体的运动，这些其他所有物体通过引力对水施加了作用。其中起决定性作用的物体则是遥远的天体，正是遥远的天体的“参考系拖拽”作用使得相对于它们旋转的液面发生了凹陷。马赫认为并不存在绝对空间，所有参考系等价。倘若能够使水面保持静止，而让所有遥远天体一同旋转，按照马赫的观点，静止水面将产生凹液面。我们显然无法做这样的实验，但是如果用几公里厚的水桶做上面的水桶实验，则人们便不能肯定牛顿对液面的平凹的判断了。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，马赫原理本身也随着广义相对论的逐渐证实而得到了广泛认可。

5.奥伯斯佯谬

在20世纪的宇宙大爆炸理论提出之前，人们对于宇宙的认识是朴素的：宇宙无限大、存在的时间无限长、宇宙处于稳恒态、宇宙中的星体分布在大尺度上均匀。然而那时的人们不知道的是，从这四条基本假设却可以逻辑地推出与事实明显相悖的结论——奥伯斯佯谬：

如果宇宙是稳恒，无限大，时空平直的，其中均匀分布着同样的发光体，由于发光体的照度与距离的平方成反比，而一定距离上球壳内的发光体数目和距离的平方成正比，这样就使得对全部发光体的照度的积分不收敛，黑夜的天空应当是无限亮的。

然而每天的黑夜总是如期降临，天空并不是一直无限亮着。这就说明以前我们对宇宙的认识存在问题。奥伯斯本人给出了一个解释，他认为宇宙中存在的尘埃、不发光的星体吸收了一部分光线。然而这个解释是错误的，因为根据热力学第一定律，能量必定守恒，故此中间的阻隔物会变热而开始放出辐射，结果导致天上有均匀的辐射，温度应当等于发光体表面的温度，也即天空和星体一样亮，然而事实上没有观察到这种现象。直到宇宙大爆炸理论的提出，奥伯斯佯谬才迎刃而解。根据大爆炸理论，宇宙诞生于150亿年前的一个大爆炸，到现在宇宙仍处在膨胀的过程当中，因此，宇宙的存在时间便是有限的，并且并非处在稳恒态。四条基本假设的两条已经不再成立，因此奥伯斯佯谬也自然被瓦解。

6.拉普拉斯妖

牛顿之后的时代，经典力学在描述世界上产生了巨大的成功，人们逐渐的相信世界是可以用物理定律机械地描述的。比较极端地，拉普拉斯就相信机械决定论，认为世间万物（包括人类、社会）都逃不过确定的物理定律的掌控。

“我们可以把宇宙现在的状态视为其过去果以及未来的因。如果一个智能知道某一刻所有自然运动的力和所有自然构成的物件的位置，假如他也能够对这些数据进行分析，那宇宙里最大的物体到最小的粒子的运动都会包含在一条简单公式中。对于这智者来说没有事物会是含糊的，而未来只会像过去般出现在他面前。”——拉普拉斯

拉普拉斯提到的“智能”，便是后人所称的“拉普拉斯妖”。倘若拉普拉斯妖是存在的，那这个世界也太可怕了：你我的行为全部都可以通过计算得出，我们的命运也全都被物理定律+初始条件严格的定出了，没有什么会是计算之外的，那生活还有什么乐趣可言！幸运的是，混沌理论和量子力学的发展，让拉普拉斯妖永远也不可能存在了。量子力学告诉我们，物理量都是有不确定性的，不可能无误差地精确测量。而混沌理论则表明，只要涉及3个及更多的物体，初始条件的极其微小的差别将导致最后结果的千差万别。从另一个角度来说，拉普拉斯妖是基于经典力学可逆过程的，然而真实的系统确实满足热力学第二定律（熵增原理）的不可逆过程。因此世界仍是充满不确定性充满了惊喜的，人也可以凭借自己的主观努力去改变自己的命运。

7.麦克斯韦妖

中学时我们都曾学过热力学第二定律（熵增原理）：孤立系统的不可逆过程熵总是在增加。“落叶永离，覆水难收；欲死灰之复燃，艰乎其力；愿破镜之重圆，冀也无端；人生易老，返老还童只是幻想；生米煮成熟饭，无可挽回...”这些都是熵增原理在实际生活中的反应，它现在也已经成为了物理学中最牢不可破的原理之一。然而当年麦克斯韦却曾提出过一个对熵增原理的诘难，非常令人困惑：

一个绝热容器被分成相等的两格，中间是由“麦克斯韦妖”控制的一扇小“门”，容器中的空气分子作无规则热运动时会向门上撞击，“门”可以选择性的将速度较快的分子放入一格，而较慢的分子放入另一格，这样，其中的一格就会比另外一格温度高，系统的熵降低了。可以利用此温差，驱动热机做功，而这是与热力学第二定律相矛盾的。

对于这个诘难的反驳，可并不是一件轻松的事情。有人可能以为麦克斯韦妖在打开、关闭门的时候需要消耗能量，这里产生的熵增会抵消掉系统熵的降低。然而开关门消耗的能量却不是本质的，它可以任意降低到足够小。对于麦克斯韦妖的真正解释，直到20世纪才被揭开。关于熵的问题向来比较难懂，因此我直接引用赵凯华先生在《新概念力学·热学》中的话：“麦克斯韦妖有获得和存储分子运动信息的能力，它靠信息来干预系统，使它逆着自然界的方向进行。按现代的观点，信息就是负熵，麦克斯韦妖将负熵输入给系统，降低了它的熵。那么，麦克斯韦妖怎样才能获得所需的信息呢？它必须有一个温度与环境不同的微型光源去照亮分子，这就需要耗费一定的能量，产生额外的熵。麦克斯韦妖正是以此为代价才获得了所需的信息（即负熵）的，这额外熵的产生补偿了系统里熵的减少。总起来说，即使真有麦克斯韦妖存在，它的工作方式也不违反热力学第二定律。”

8.双生子佯谬

爱因斯坦的狭义相对论建立了全新的时空观，对于当时的人们来说难以接受。因此自从提出以来，狭义相对论就受到了各种诘难，其中最著名的当属双生子佯谬。但是无论如何诘难，狭义相对论都可以很完美的给出解释，所有的佯谬都被一一化解，研究这些佯谬可以更加深刻的理解狭义相对论的时空观。在狭义相对论中，运动的参考系时间会变缓，即所谓的动钟变慢效应。现在设想这样一个情景：有一对双胞胎A和B，A留在地球上，B乘坐接近光速的飞船向宇宙深处飞去。飞船在飞出一段距离之后掉头往回飞，最终降落回地球，两兄弟见面。现在问题来了：A认为B在运动的时候时间变慢，B应当比A年轻；而同样地，在B看来，是A一直在运动，是A的时间变慢了，A应当比B年轻才是。那么兄弟俩究竟谁更年轻呢？狭义相对论是否自相矛盾了？

事实上，理解双生子佯谬的关键，是要清楚A和B的地位并不对等：两人中只有B经历了加速过程，B在飞船掉头的时候不可避免的要经历一次加速。因此，只有A才是处在狭义相对论成立的惯性系当中，只有A的看法是正确的：当兄弟俩见面时，B比A更年轻。类似的效应已经被精密实验所证实了。其实

只要用狭义相对论做详尽的计算，也能够从B的角度理解为什么B比A更年轻，但是这不得不做繁琐的计算，这里就不给出了。至此我们可以放心地说，狭义相对论在这个问题上是没有包含矛盾的。但是出去旅游一圈的双胞胎兄弟居然回来就比较年轻了，这一点可是颠覆了大多数人的世界观的...可是这是事实，不信也得信呀！

9.等效原理

在中学里大家都学了质量的概念，然而事实上是有两种不同的质量的：惯性质量和引力质量。惯性质量是F=ma中的m，它是惯性大小的量度；引力质量是F=GMm/r^2中的m，它是引力大小的量度。之所以中学里并不对这二者进行区分，是因为这二者精确地相等。这一事实并不是理所当然的，而爱因斯坦正是通过这一神奇的事实，归纳出了广义相对论的一个基本假设：等效原理。

设想一个处于自由空间（没有引力作用）中的宇宙飞船，它以a=9.8m/s^2的加速度做加速直线运动。倘若里面的人扔出一个小球，小球由于惯性，将以9.8m/s^2的加速度落地；而这正如一个处于引力场中的惯性系所表现的那样。非惯性系中的惯性力正比于惯性质量，而引力则正比于引力质量。惯性质量与引力质量相等这一事实，导致了惯性力与引力这两种效应无法区分，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（不仅仅是力学过程），自由空间中的加速运动参考系，与引力作用下的惯性系，这二者在原则上完全不可区分，这就是强等效原理。

“引力场中一切物体都具有同一的加速度，这条定律也可表述为惯性质量同引力质量相等，它当时就使我认识到它的全部重要性。我为它的存在感到极为惊奇，并且猜想其中必有一把可以更深入了解惯性和引力的钥匙。”——爱因斯坦。

10.薛定谔的猫

薛定谔的猫恐怕是物理界最著名的一只虚构小动物了，它是量子力学的创始人之一——薛定谔为了说明量子力学并不完备而提出的：

把一只猫放进一个封闭的盒子里，然后把这个盒子连接到一个包含一个放射性原子核和一个装有有毒气体的容器的实验装置。设想这个放射性原子核在一个小时内有50％的可能性发生衰变。如果发生衰变，它将会发射出一个粒子，而发射出的这个粒子将会触发这个实验装置，打开装有毒气的容器，从而杀死这只猫。根据量子力学，未进行观察时，这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态，猫则处在死和活的叠加态，即“既死又活”（而不是很多人误解的“半死不活”、“要么死要么活”）。但是，如果在一个小时后把盒子打开，实验者只能看到“衰变的原子核和死猫”或者“未衰变的原子核和活猫”两种情况。现在的问题是：这个系统从什么时候开始不再处于两种不同状态的叠加态而成为其中的一种？在打开盒子观察以前，这只猫是死了还是活着抑或既死又活？这个实验的原意是想说明，如果不能对波函数塌缩以及对这只猫所处的状态给出一个合理解释的话，量子力学本身是不完备的。

薛定谔的猫是物理学家的一个噩梦，它把微观的量子力学效应放大到了宏观的日常生活，使得一切都变得十分诡异。对于薛定谔的猫的解释，涉及到了多种对量子力学的深刻哲学理解，本文就不详述了，如果你想搞清楚这只神奇的猫的命运，那么请到物理学院来学习吧！

后记：

思想实验是物理学史上伟大的智慧结晶，回顾一番足以看出其中闪耀的智慧光芒。望这些思想实验能够给读者带来对世界认识的启迪吧。