思想实验2：驾乘光束

20世纪初期，物理学领域被另外一系列思想实验所颠覆。1879年，一个男孩出生在德国的一个家庭中，他的父亲是工程师，母亲是家庭主妇。据说，他3岁才开始说话，9岁时被学校认为患上了学习障碍，16岁时就开始幻想着乘着月光飞行。

这个年轻人知道英国数学家托马斯·杨（Thomas Young）于1803年所做的实验，那个实验证实了光由波组成，具备波动性质。那时的推论是，光波必须借由某种介质传播。毕竟，水波借助水传播，声波借助空气或其他物质传播。科学家称光波传播的介质为“以太”（ether）。那个男孩知道1887年美国科学家阿尔伯特·迈克尔森（Albert Michelson）和爱德华·莫利（Edward Morley）所做的实验：该实验试图借助小船在河流中顺流和逆流而行的类比，证明“以太”的存在。如果你恒速划桨行进，顺流而行时，从岸上观测的速度会较逆流而行更快。迈克尔森和莫利假定光会在“以太”中匀速前进（即以光速运动），推断出地球沿其轨道朝太阳运动时（从地球上的有利位置观测）与地球朝远离太阳方向运动时阳光运动的速度会不同（甚至可以达到地球运动速度的两倍）。这一点一旦得到证实，就能证明以太的存在。然而他们发现，不管地球处于轨道上的哪个位置，阳光向地球运动的速度都不会变。他们的发现否定了“以太”存在的观点。那真实的情况究竟是怎样的呢？此后20年，这一直是一个谜。

这个德国男孩则幻想与光束同游，他认为自己应该能看到光束凝结，就像与火车保持同速前进时，火车看似静止一般。不过，他意识到这不可能，因为不管你的行进速度如何，光速都被视为恒定。所以，他幻想着以稍微慢些的速度与光束同游。如果以光速的90%的速度运动会怎样呢？如果光束像火车那样，他推论自己会看到光束在他前面以10%的光速运动。实际上，那就是地球上的观测者将看到的一幕。但我们知道迈克尔森-莫利的实验表明光速恒定。因此，他应该看到光束在他前面全速前进。这似乎产生了矛盾——怎么可能呢？

到这个德国男孩26岁时，答案似乎是显而易见的了。顺便提一下，男孩的名字叫阿尔伯特·爱因斯坦。显然，时间为青年大师爱因斯坦变“慢”了。爱因斯坦在1905年发表的论文中对他的推导过程进行了阐释。7如果地球上的观测者看到男孩的手表，就会发现它的转速慢了9/10。实际上，当他返回地球时，他的手表会显示只过了1/10的时间（暂时不考虑加速和减速）。然而，从他的角度来看，手表却是正常运转，旁边的光束也是在以光速运动的。时间的速度会自行减慢9/10 （相对于地球的时间）就可以解释看似存在矛盾的分歧了。在极端情况下，当速度达到光速，时间就会减慢到接近于零，因此，想与光束并驾齐驱是不可能的。不过，尽管不可能以光速运动，但理论上来说，速度超越光束并非不可能，而到那时，时间就会倒退。

在许多早期评论家看来，这个解释太荒诞了。时间怎么会因为某人运动的速度而自行减慢呢？实际上，18年来（从迈克尔森-莫利的实验开始），对爱因斯坦来说显而易见的论断，其他研究者却无法得出。他们中许多人对这个问题的思考贯穿了整个19世纪下半叶，他们选择信奉先入为主的现实运作观，而不是这一原理的启示，实质上就是“摔落马背”了——也许我应该说他们“摔落光束”了。

爱因斯坦的第二次思想实验是想象自己和兄弟一起飞越时空。他们相距186000英里（约为299338公里）。爱因斯坦想在保持彼此距离不变的情况下加速前进，于是用手电筒给兄弟发送信号。他知道信号传送时间为1秒钟，于是他会在发出信号1秒钟之后再开始加速。而他的兄弟接收到信号就立即加速。这样，两兄弟恰好同时加速，因此能保持相互间距离不变。

但是想想看，如果我们在地球上会看到什么样的情况？如果两兄弟正向背离我们的方向运动（阿尔伯特领先），看上去就会是光抵近他兄弟的时间不足1秒，因为他在向光的方向运动。同样，我们也会看到他兄弟的计时器变慢了（由于他加速时离我们更近些）。鉴于所有这些原因，我们将看到两兄弟越靠越近，并最终相撞。然而，在两兄弟看来，他们始终保持着186000英里的距离不变。

怎么会这样？答案显然是，距离与运动平行，而不是垂直。于是，随着加速前进，爱因斯坦兄弟会变得越来越矮（假定他们头朝前飞行）。也许，这个怪诞的结论比时间流逝的差异更不能让人信服。

同一年，爱因斯坦又用另一个思想实验来探索了物质与能量的关系。苏格兰物理学家詹姆斯·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）在19世纪50年代证明了被称为光子的光微粒虽然不具备质量但仍具备动量。孩童时，他有一个名为克鲁克斯辐射计（Crookes radiometer，见图1-3）的装置。该装置由一个密封玻璃球茎组成，其内部包含部分真空和绕轴旋转的4个叶片。叶片一面白，一面黑。每个叶片的白色面反射光，黑色面吸收光（这就是为什么热天穿白色T恤衫更凉爽的原因）。当装置上有光照射时，叶片就会旋转，黑色面朝远离光的方向运动。这就直接证明了光子具备足够的动量，可以让辐射计的叶片运动起来。8

爱因斯坦苦苦思索的是动量与质量的函数关系：动量是质量和速度的乘积。因此，一辆以每小时约48公里的速度行驶的机车，比以相同速度运动的虫子具备更大的动量。但是，不具备质量的光子怎么会有正动量呢？

爱因斯坦的思想实验由一个在空中飘浮的盒子组成。盒内里有一个光子从左端射向右端。因为系统的总动量守恒定律，所以当光子发射时，盒子会产生反作用然后向左退。一定时间后，光子与盒子右端相撞，将其动量传回给盒子。系统总动量仍需守恒，所以此时盒子便静止不动了。

至此，一切似乎都很合理。但仔细想一想，从爱因斯坦的角度来看，又会如何呢？他是从盒子的外部观察的，所以应该看不到盒子外部有任何变化：没有微粒对其进行撞击——无论是否具备质量，也没有物体脱离。而根据上述情节，爱因斯坦却看到盒子迅速向左移动，然后停了下来。按照我们的分析，每个光子应持续使盒子向左运动。另一方面，既然不存在盒子向外部作用或受到外部作用的情况，那么其质心应与之保持相同位置。但是盒子内部从左向右运动的光子不能改变质心的位置，因为它不具备质量。

或者，光子是具备质量的？爱因斯坦的推论是，既然光子具备能量和动量，那么它也一定存在质量的等价物。运动的光子与运动的物质完全等价。我们可以通过确认光子运动期间，系统质心必须保持静止来计算这一等价值。通过数学计算，爱因斯坦证明了质量和能量等价，并通过简单的常量相联系。然而，值得注意的是：这个常量也许简单，但数值却极大，它是光速的平方（大约为1.7×1017每平方秒平方米——即，17后面跟16个0）。这样，我们也就得出了爱因斯坦的著名方程式：E=mc 2。9因此，1盎司（28克）的物质相当于60万吨TNT炸药爆炸时所释放的能量。爱因斯坦在1939年8月写给罗斯福总统的信中，说明了根据这个方程式计算出的原子弹的潜在能量，而这个方程式也开启了原子时代。10

你也许认为这一点应该早点被发现，因为实验人员早就察觉到放射性物质的质量亏损是受到了长期辐射的结果。然而，当时存在一种假设，认为放射性物质燃烧了自身包含的某种特殊高能燃料。这种假设并非完全错误，只不过那种燃烧掉的燃料就是质量。

我以达尔文和爱因斯坦的思想实验作为本书的开篇基于以下原因。他们展现出了人脑的非凡能力。在没有任何其他设施的情况下，爱因斯坦仅凭笔和纸就描绘出这些简单的思想实验并写出由此得到的简单方程式，颠覆了统治物理学领域两个世纪的传统观念，深刻影响了历史的进程（包括第二次世界大战），并开启了核时代。

爱因斯坦确实借鉴了19世纪的一些实验结果，但这些实验也没有使用精密仪器。虽然后来爱因斯坦的理论验证实验使用了先进的技术，但如若不然，我们也无法证实爱因斯坦理论的正确性和重要性。然而，这都无法掩盖由这些著名的思想实验展现出来的人类思想的耀眼光芒。

虽然爱因斯坦被誉为20世纪最伟大的科学家（达尔文被誉为19世纪最伟大的科学家之一），但隐藏在其理论背后的数学原理却并不复杂，思想实验本身也十分简单。所以，我们不禁好奇，爱因斯坦究竟为什么会被贴上“聪明过人”的标签？我们将在后面的内容中具体描述他在提出这些理论的时候，有着怎样的思维活动。

这段历史也展现了人类思维的局限性。为什么爱因斯坦能驾乘光束而不至于摔落（虽然他推断实际上不可能驾乘光束），而成千上万其他的观察者和思考者却不能借助这些并不复杂的方式来思考呢？一个共同的障碍就是，大多数人难以摒弃并超越同辈人的思维观念。至于其他障碍，我们会在审视大脑新皮质如何工作后进行更细致的讨论。