?"
愛因斯坦。(公有領域)

現代科學最偉大的科學家之一愛因斯坦提出的「相對論」物理理論,不僅改變科技界的時空觀,甚至影響了20世紀人類的宇宙哲學觀。令人驚嘆的是,這位科學巨匠所進行的實驗是在他的思想之中,而不是在實驗室。

編譯 _ 張秉開

追光實驗

《商業內幕》近日報導,阿爾伯特.愛因斯坦(Albert Einstein)所做的思想實驗如著名的「追光實驗」,無法在實驗室複製和進行,只能通過思考和分析。

愛因斯坦在16歲時,開始思考如果追逐空間中的一束光,會有什麼結果。愛因斯坦推斷,如果能追上光,就意味著空間中的光像凍結了一樣。但是,光不會被凍結。因此,光的速度不會慢下來,仍然以光速運動。那麼,即使追上了光線,觀察者也會發現光速不變,出現變化的是其他東西如時間。

愛因斯坦的「追光實驗」成為他的狹義相對論基礎。

火車實驗——時空可變

如果一個人站在火車上,而他的朋友在地面,一束光線照射在火車的頭尾,他的朋友會同時看到亮光。但是,那個在火車上的人卻感覺火車前進的方向早出現光亮。

愛因斯坦相信,火車裡或地面所見的不同,說明時空是相對的、是可以變化的。這個實驗也為他建立狹義相對論打下基礎。

黑箱實驗

愛因斯坦想像,空間中漂浮一個黑色的箱子,一個人站在其中,因為他看不到外面的情況,所以只能通過箱子內部的運動變化推斷外界。

突然,這個人下落到箱子的一邊,那麼怎樣判斷是箱子自身原因還是外界造成的。愛因斯坦認為,不論怎樣的原因,表現的結果相同,所以在考慮時空可變的條件下,物體產生重量的原因可以解釋為空間變化造成重量現象。這種邏輯後來被愛因斯坦用於形成廣義相對論。


愛因斯坦解釋廣義相對論的手稿扉頁。(公有領域)

今年6月,激光干涉引力波天文臺(LIGO)觀測的時空彎曲效應(即愛因斯坦預測的引力波)再次說明,他在1916年發表描述時空可變的廣義相對論是正確的。

但是,人們似乎只關注他的思想成就,而忽視他產生可以改變科學和哲學觀的思想過程。

突破實證科學框框

現代科學是實證科學。實證科學只承認觀測到的現象對科學研究有意義,無論提出假說還是檢驗假說,都只能根據觀測到的現象。嚴格講,愛因斯坦使用的思想實驗方法不是現代實證科學的所謂「觀察、假設、實驗」。

愛因斯坦所做的和實證科學的要求不同,所以一百多年前當他提出相對論時,遭到幾乎整個科技界的嘲笑和排斥,僅僅少數幾個理智占主導的科學家如麥克斯韋等,感受到愛因斯坦思想的巨大現實意義——用非實證方法得到的理論也是可以描述這個宇宙的。

愛因斯坦曾說:「在原則上,試圖單靠可觀察量來建立理論,那是完全錯誤的。」◇