物理學中的3個燒腦思想實驗,光用腦袋想一想就能顛覆世界!

所謂的思想實驗,就是使用想像力去進行,而在現實中無法做到的實驗。諸如“光滑無摩擦力的平面”、“接近光速飛行”、“縮小到原子級別觀察原子的行為”這樣的假設在現實中都是不可能做到的,都需要豐富的想像力來支持。天馬行空的想像力可以幫助科學家們“做實驗”,來探索比現實中看到的世界更為廣闊的領域。

下面就由小編為大家介紹物理學中的3個有趣的思想實驗吧。

1、伽利略小球落地實驗

傳說伽利略在比薩斜塔上進行過著名的斜塔實驗:讓同樣大小、不同重量的兩個小球同時從同一高度下落,他們總是同時落地。這個實驗推翻了亞里士多德提出的“物體下落速度與物體重量成正比”的說法。但是很多人都懷疑這個實驗的真實性,因為這個實驗的出處只有伽利略學生的回憶。懷疑者認為兩個小球從高處落地的實驗只是伽利略的思想實驗。

而實際上,要推翻亞里士多德的觀點,也只需要思想實驗就夠了:試想如果一個重的小球下落速度會比輕的小球快。那麼如果用一條繩子將兩個小球綁在一起從高處放下,會發生什麼?兩個小球會因為繩子的捆綁而發生速度的“折中”,即兩個小球構成的整體,下落速度應該比重的球單獨下落時更慢,而比輕的球單獨下落時更快。但從另一方面來看,兩個小球綁在一起的整體,會比任一小球都要重,下落速度應該比重的小球更快。這個矛盾證明亞里士多德的理論是錯的。

伽利略

2、愛因斯坦的光線

愛因斯坦在他16歲的時候提出過這樣的問題:如果他以光速在宇宙中飛行,身旁有一束光線與他同向飛行,那他會看到什麼?最初愛因斯坦的答案是他與光線相對靜止,他會看到在空間中不斷震盪但停滯不前的電磁波。這個想法被後來的邁克耳孫-莫雷實驗所推翻。

邁克耳孫-莫雷實驗證實了光速對於任何觀察者都是一個常數。也就是說,無論你是靜止,快速跑動,還是以接近光速飛行,都會看到光線以一個恆定的速度離你遠去。這被稱為“光速不變原理”,是狹義相對論的基本假設之一。

3、雙生子佯謬

關於時間旅行的話題總是讓人著迷。雙生子佯謬就是一個關於時間旅行的悖論。

根據狹義相對論,觀察者會觀察到以接近光速運動的事物時間流逝變慢。假如地球上有一對雙胞胎,弟弟留在地球,哥哥乘坐太空船以接近光速在太空中旅行,由於哥哥以接近光速運動,時間流逝變慢,當哥哥回到地球時,弟弟會發現自己比哥哥更老。但是有的人指出,運動是相對的,在地球上的弟弟觀察到哥哥以接近光速運動,飛船上的哥哥也會觀察到弟弟以接近光速運動,在哥哥看來是弟弟的時間流逝在變慢,回到地球時哥哥比弟弟更老。兩人的分析相矛盾。——這就是著名的雙生子佯謬。

佯謬的意思是“假的謬論”,也就是看起來是邏輯矛盾的,但實際上並沒有矛盾。

在思考雙生子佯謬時,還應該考慮參考系的問題。在地球上的弟弟處於慣性系中,飛船中的哥哥並非一直處於慣性系中。簡單地說,牛頓運動定律成立的參考系稱作慣性系。設想以一輛加速前進的大巴作參考系,觀察者會看到放在大巴地板上的小球沒有受到向後的力,卻向後加速運動了。也就是說,選取大巴作為參照的話,牛頓運動定律在小球上並不成立。此時加速中的大巴就是非慣性系。

同樣,在宇宙中旅行的哥哥,在飛船加速和減速的過程中,也必須認為自己處於非慣性系中。地球上的弟弟則一直處於慣性系中。狹義相對論是僅適用於慣性系中的理論,想要分析哥哥非慣性系中的運動,就要用到廣義相對論。哥哥用廣義相對論分析自己,所得出的時間減慢效應會大於用狹義相對論分析弟弟的時間減慢效應。直觀地說,就是在飛船加速和減速的過程中,哥哥會看到地球上的弟弟迅速衰老。

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