Что такое мысленные эксперименты? Использование и примеры / культура
Мысленные эксперименты являются одним из многих инструментов, которые мы создали, чтобы понять и объяснить, как происходят явления, которые нас окружают. Не только это, но они были педагогическим инструментом, имеющим большое значение в научной области.
Кроме того, из-за их характеристик они были предметом дискуссий в философии, а также в когнитивных науках, естественных науках или педагогике. но, Что именно мы подразумеваем под «мысленными экспериментами»??
- Статья по теме: «Как психология и философия похожи?»
Какие психические эксперименты?
Ментальные эксперименты гипотетические ситуации, которые используются для объяснения ситуации или явления, через какие будут результаты, если эксперимент действительно произошел.
Другими словами, мысленный эксперимент — это ресурс воображения (он состоит из рассказа о вымышленной ситуации), который обладает достаточной логикой, чтобы можно было представить последовательные результаты, чтобы эти результаты позволили нам что-то объяснить.
Гилберт и Райнер (2000) определяют ментальные эксперименты как эксперименты, которые были направлены ментально. То есть, хотя нет необходимости их выполнять (и во многих случаях нет реальной возможности сделать это), да должны включать гипотезу, цели, результаты, с целью предложить ряд логических выводов о явлении.
Поскольку мысленные эксперименты являются источником воображения, их иногда путают с аналогичными рассуждениями. Однако разница состоит в том, что, хотя аналогии в основном характеризуются проведением сравнений, ментальные эксперименты характеризуются постановкой ряда действий, которые образно выполняются.
Основные области применения в исследованиях
Как мы уже говорили, мысленные эксперименты возникли в основном из определенного намерения или цели: понять, как работает явление, без необходимости действительно экспериментировать с ним..
Однако из этого же намерения были освобождены другие, например, обосновать или опровергнуть законность философской, математической, исторической, экономической или научной модели (особенно они были использованы в физических науках).
То есть ментальные эксперименты имеют три основных применения: объяснять, узаконивать или опровергать объяснительные модели о природе явления. Однако эти два использования могут быть более конкретными в зависимости от автора, который их поднимает, или в соответствии с теоретической и философской позицией, которая их поддерживает..
Например, они широко используются не только в физических науках, но и в философии разума и морали, в когнитивных и вычислительных науках, и в формальном образовании. Вот почему их также считают образцом для обучения, то есть дидактическим инструментом.
В отличие от этих видов использования и функций, психические эксперименты также столкнулись с некоторой критикой. Например, Некоторые считают, что это просто интуиция, и что как таковые, они не могут выдержать достаточно строгости, чтобы рассматриваться с точки зрения знаний или научной методологии.
- Может быть, вы заинтересованы: «Что такое философия разума? Определение, история и приложения»
3 примера мысленных экспериментов
С семнадцатого века мы можем найти примеры мысленных экспериментов, которые оказали важное влияние на наше понимание мира.
Некоторые из самых популярных проводились Галилео, Рене Декартом, Ньютоном или Лейбницем..
Совсем недавно это обсуждалось роль ментальных экспериментов в развитии физики и квантовой механики, например, с помощью эксперимента Шредингера Кота. Аналогично, важность умственных экспериментов в философии языка и философии ума обсуждалась, например, с китайской комнатой Сирла или философскими зомби..
1. Шредингерская кошка
В этом эксперименте Шредингер показывает, как некоторые принципы квантовой теории сталкиваются с нашими самыми основными интуициями. Он состоит из следующего: кот заперт в стальной камере, вместе со счетчиком, который имеет очень небольшое количество радиоактивного вещества.
Существует 50% вероятность того, что через час один из атомов разложится и отравит кошку. Кроме того, существует 50% вероятность того, что ни один из атомов не разложится, что сохранит жизнь кошки. Тогда самое логичное, что, если мы откроем стальной ящик через час, мы найдем кота живым или мертвым.
Однако, и это то, что Шредингер выставляет как парадокс, следуя некоторым принципам квантовой механики, через час кошка будет жива и мертва одновременно. По крайней мере, перед открытием коробки, как для механики состояния перекрываются до того момента, когда в игру вступает внешний наблюдатель (Именно этот наблюдатель изменяет положение вещей).
Этот эксперимент прошел различные объяснения, очень разные и сложные, но очень широко послужил объяснению противоречивой природы квантовой механики..
2. Китайская комната
В этом эксперименте философ Джон Сирл поставил под сомнение возможность создания искусственный интеллект, который не только способен подражать человеческому разуму, но фактически воспроизводит его.
Гипотетическая ситуация, которую он излагал, состояла в том, чтобы представить, что англоговорящий человек, который не понимает по-китайски, входит в комнату, где ему дают письменную инструкцию на английском языке, чтобы манипулировать некоторыми китайскими символами в определенном порядке.
В этом порядке символы обозначают сообщение на китайском языке..
Если после манипулирования ими вы передадите их внешнему наблюдателю, он, вероятно, подумает, что говорящий по-английски человек, который не понимает китайский, действительно понимает китайский, даже если он действительно не понимает китайский.. Для Сирла именно так работают операционные системы компьютеров. (подражать пониманию, но не достигая его).
- Статья по теме: «Эксперимент в китайской комнате: компьютеры с разумом?»
3. Философские зомби
Философские зомби являются широко распространенным понятием в философии, чье происхождение мы можем проследить во многих теориях. Тем не менее, это был Дэвид Чалмерс, который предложил следующий мысленный эксперимент: если бы существовал мир, подобный нашему, но вместо того, чтобы населяться людьми, в нем обитали зомби, те зомби (которые физически идентичны нам). они все равно не смогут воспроизвести человеческий разум.
Причина: у них нет субъективных переживаний (квалиа). Например, хотя они могут кричать, они не испытывают радости или гнева, что Чалмерс предполагает, что ум не может быть объяснен только в физических терминах (как предполагает физикализм).
Библиографические ссылки:
- Стэнфордская энциклопедия философии (2014). Мысленные эксперименты. Получено 3 мая 2018 г. Доступно по адресу https://plato.stanford.edu/entries/thought-experiment/
- Gilbert, J. & Reiner, M. (2010). Мысленные эксперименты в научном образовании: потенциал и текущая реализация. Международный журнал науки образования, 22 (3): 263-283.
- Олива, J. (2008). Какими профессиональными знаниями должны обладать учителя науки об использовании аналогий. Eureka Magazine Преподавание и распространение наук. 5 (1): 15-28.
Мысленные эксперименты, парадоксы и границы логики // Мы обречены #2 / Хабр
Представьте, что есть ученый, который постоянно делает важнейшие открытия. Вакцины, космические двигатели, лекарство от рака, может даже таблетку для бессмертия.
Но есть проблема — он гребаный маньяк. Раз в год убивает случайного человека самым жутким образом.
Если ученого посадить в клетку — открытий больше не будет. Если оставить на свободе — будут продолжаться жесточайшие преступления.
Что с ним делать?
Еще одна вариация теоремы вагонетки, только в новых декорациях. Мысленный эксперимент о том, готов ли ты пойти на меньшее зло ради большого блага.
Пару лет назад мы спорили об этом с друганом до соплей на стенах и пришли к выводу, что выбирать меньшее зло — самое бесполезное и даже лицемерное решение. Вот ты выбрал убить одного человека вместо, например, пятерых — якобы делая вклад в сохранение абстрактного человечества. Бедного одиночку переехало вагонеткой, и ты заявил — зато я спас пятерых людей, а это всяко лучше, чем одного.
Ты считаешь этот способ правильным и призываешь всех остальных поступать также. Люди тебя слушают, применяют твой способ год, два, десять, сто, тысячу. При условиии, что вселенная бесконечна, и твое знание сохранится для новых цивилизаций даже если человечество погибнет от какого-нибудь метеоритовируса — одиночка будет умирать вместо пятерых бесконечность раз.
А есть ли разница между один умножить на бесконечность и пять умножить на бесконечность?
Потом мы все-таки согласились — быть может и правильно спасать пятерых и убивать одного, просто не надо это объяснять абстрактной логикой. Признайся честно — это был эмоциональный выбор, а не логичный. Дурацкая логика вечно упирается в парадоксы с бесконечностью и перестает работать.
Если бы на одном пути лежал близкий тебе человек, а на другом пять незнакомых? Что если бы ученый маньяк был твоим соседом?
С одной стороны я понимаю, почему некоторые считают мысленные эксперименты пустой тратой мозга. С другой — я убежден, что это одно самых лучших занятий, которые мозг может себе позволить.
Когда все заперлись по домам, люди как будто испугались деградация и отупения, и началось. Здесь лекции, там уроки, тут постановки, там вебинары, здесь курсы, тут марафоны. Народ ведет себя как бедные дети, которых бешеные родители записали на 25 кружков, где надо проводить минимум по часу в день.
Люди бросились впитывать в себя все как бешеные, чтобы успеть стать лучше, пока есть возможность.
Мое мнение может и непопулярно в таких условиях, но я считаю нет ничего лучше, чем заполнить освободившиеся часы абсолютным полнейшим бездельем. Безделье — это не значит — тупить в мемчики, сериалы и видеоигры.
Это значит лечь, смотреть в потолок и дать мозгу наконец о чем-нибудь подумать самому.
Когда его совсем заносит или становится скучно — подкинь ему задачку. Реши уравнение, поумножай большие числа без калькулятора и, наконец, побейся об мысленные эксперименты. Придумай ситуацию, в которую не дай бог когда-нибудь попасть в реальности, самую страшную из всех, и обстоятельно подумай, что делать.
Это будет лучшее упражнение, чтобы поддерживать в соображалке жизнь. Мне кажется это вообще единственное естественное занятие для мозга, который ничем не занят — пытаться напугать себя до чертиков, чтобы не было страшно, когда придет время пугаться по-настоящему. Главное, держаться в рамках эксперимента, и не идти потом пугать остальных тем, что мы все умрем.
Но мое самое любимое занятие с детства — придумывать истории в голове, месяцами, а то и годами, но никогда их не записывать. Учиться держать в голове море контекста и деталей, возвращаться в придуманное, переписывать что-то. А когда история заканчивается — просто навсегда ее выкидывать. Свободное время, которое этим занято, я ни за что и никогда не променяю на новые потоки информации и новых людей.
Мы с fillpackart попытались примерно показать, как у нас это работает, поломали головы об мысленные эксперименты, моральные дилеммы и парадоксы — всем известные и выдуманные нами.
Заблудился в раздумьях — насколько важными для физики были фантазии Эйнштейна?
Gedankenexperiment , что в переводе с немецкого означает «мысленный эксперимент», — это знаменитое имя Альберта Эйнштейна, обозначающее его фантазии, которые привели к его величайшим открытиям в физике. Он проследил свое осознание конечной скорости света — основной идеи специальной теории относительности — в своих подростковых мечтах о движущихся лучах света.
Общая теория относительности, его монументальная теория гравитации, берет свое начало в его размышлениях о поездках вверх и вниз в лифте. В обоих случаях Эйнштейн создал новые теории о мире природы, используя свой мысленный взор, чтобы выйти за пределы ограничений лабораторных измерений.
Эйнштейн не был ни первым, ни последним теоретиком, сделавшим это, но его выдающиеся достижения сыграли решающую роль в установлении мысленного эксперимента в качестве краеугольного камня современной теоретической физики. Сегодня физики регулярно используют мысленные эксперименты для формулирования новых теорий и поиска несоответствий или новых эффектов в существующих.
Но современный подход к мысленным экспериментам вызывает некоторые неудобные вопросы. В поисках великой объединенной теории, которая объединила бы мелкомасштабный мир квантовой механики с эйнштейновским релятивистским описанием Вселенной в целом, самые популярные современные идеи лишены наблюдательной поддержки реальных экспериментов.
Может ли одна только мысль поддерживать их? Насколько мы можем доверять логическому выводу? Где грань между научной интуицией и фантазией? Наследие Эйнштейна не дает однозначных ответов: с одной стороны, его опора на силу мысли имела впечатляющий успех. С другой стороны, многие из его самых известных мысленных экспериментов были основаны на данных реальных экспериментов, таких как классический эксперимент Майкельсона-Морли, в котором впервые было измерено постоянство скорости света. Более того, зацикленность Эйнштейна на том, что поддается измерению, временами ослепляла его от более глубоких слоев реальности, хотя даже его ошибки в мысленных экспериментах способствовали более поздним прорывам.
Здесь мы рассмотрим некоторые из самых знаковых мысленных экспериментов Эйнштейна, подчеркнув, как они увенчались успехом, где потерпели неудачу и почему они остаются жизненно важными для вопросов, стоящих сейчас на переднем крае теоретической физики.
Лифт без окон
Гениальность Эйнштейна в его мысленных экспериментах заключалась в том, что он понял, какие аспекты опыта важны, а какие можно отбросить.
Рассмотрим его самый известный эксперимент: мысленный эксперимент с лифтом, который он начал разрабатывать в 1907. Эйнштейн утверждал, что внутри лифта без окон человек не может сказать, находится ли лифт в покое в гравитационном поле или его поднимают с постоянным ускорением. Затем он предположил, что сами законы физики должны быть идентичными в обеих ситуациях. В соответствии с этим «принципом эквивалентности» локально (в лифте) действие гравитации такое же, как и действие ускорения в отсутствие гравитации. Преобразованный в математические уравнения, этот принцип стал основой общей теории относительности. Другими словами, мысленный эксперимент с лифтом побудил Эйнштейна совершить смелый интеллектуальный скачок, который в конечном итоге привел к его величайшему достижению — геометрическому описанию гравитации.
Жуткое действие
Позднее в своей карьере Эйнштейн яростно боролся с принципами квантовой механики, в частности с принципом неопределенности, согласно которому чем больше вы знаете об одном аспекте фундаментальной частицы, например о ее положении, тем меньше вы можете знать о другом, связанном аспекте этой частицы, таком как ее импульс, и наоборот.
Эйнштейн считал, что принцип неопределенности является признаком того, что квантовая теория глубоко ошибочна.
Во время многолетнего обмена мнениями с датским квантовым теоретиком Нильсом Бором Эйнштейн задумал серию мысленных экспериментов, призванных продемонстрировать возможность нарушения принципа неопределенности, но Бор проанализировал каждый из них. Этот обмен мнениями укрепил убежденность Бора в том, что квантовая неопределенность является фундаментальным аспектом природы. Если даже великий Эйнштейн не смог изобрести способ точного измерения как положения, так и импульса частицы, то в принципе неопределенности определенно что-то есть!
В 1935 году вместе со своими коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном Эйнштейн опубликовал то, что должно было стать его самой мощной критикой принципа неопределенности. Возможно, из-за того, что Подольский, а не Эйнштейн, набросал фактический текст статьи, этот мысленный эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) был представлен не как легко вообразимый сценарий ящиков, часов и световых лучей, а как абстрактная серия уравнения, описывающие взаимодействия между двумя обобщенными квантовыми системами.
Простейшая версия эксперимента ЭПР изучает парадоксальное поведение «запутанных» частиц — пар частиц, имеющих общее квантовое состояние. Она разворачивается следующим образом: представьте себе нестабильную частицу с нулевым спином, распадающуюся на две дочерние частицы, которые разгоняются в противоположных направлениях. (Спин — это мера углового момента частицы, но, как это ни парадоксально, он имеет мало общего со скоростью вращения частицы.) Законы сохранения диктуют, что спины этих двух дочерних частиц в сумме должны равняться нулю; тогда одна частица может иметь значение спина «вверх», а другая может иметь значение спина «вниз». Законы квантовой механики диктуют, что в отсутствие измерения ни одна из частиц не обладает определенным спином, пока не будет измерена одна из двух движущихся запутанных частиц. После измерения одной частицы изменяется состояние другой мгновенно , даже если частицы разделены огромными расстояниями!
Эйнштейн считал это «жуткое действие на расстоянии» чепухой.
Его собственная специальная теория относительности утверждала, что ничто не может двигаться быстрее света, поэтому две частицы не могли мгновенно связаться друг с другом с противоположных сторон Вселенной. Вместо этого он предположил, что результаты измерения должны быть определены до измерения с помощью «скрытых переменных», которые квантовая механика не смогла учесть. Десятилетия обсуждения последовали до 1964 года, когда физик Джон Стюарт Белл разработал теорему, точно определяющую, как информация, совместно используемая запутанными частицами, отличается от информации, которая, как постулировал Эйнштейн, будет передаваться через скрытые переменные.
С 1970-х годов лабораторные эксперименты с запутанными квантовыми системами неоднократно подтверждали, что Эйнштейн ошибался, что квантовые частицы действительно обмениваются общей информацией, которую нельзя объяснить скрытыми переменными. Жуткое действие на расстоянии реально, но эксперименты показали, что его нельзя использовать для передачи информации со скоростью, превышающей скорость света, что полностью согласуется со специальной теорией относительности Эйнштейна.
Эта контринтуитивная истина остается одной из самых загадочных головоломок во всей физике, и именно упрямое, ошибочное возражение Эйнштейна оказалось решающим для ее подтверждения.
Алиса и Боб
Сегодня некоторые из самых важных мысленных экспериментов в физике исследуют, как согласовать часовой механизм Эйнштейна, релятивистскую вселенную с нечеткими неопределенностями, присущими квантовым частицам.
Рассмотрим, например, широко обсуждаемый информационный парадокс черной дыры. Если вы объедините общую теорию относительности и квантовую теорию поля, то обнаружите, что черные дыры испаряются, медленно излучая свою массу из-за квантовых эффектов. Вы также обнаружите, что этот процесс необратим: вне зависимости от того, что сформировало черную дыру, испаряющаяся черная дыра всегда производит ту же безликую ванну излучения, из которой нельзя извлечь никакой информации о ее содержимом. Но такой процесс запрещен квантовой теорией, которая утверждает, что любое событие в принципе можно обратить во времени.
Например, согласно законам квантовой механики, остатки сожженной книги все еще содержат всю информацию, необходимую для повторной сборки этой книги, даже если эта информация не является легкодоступной. Не так обстоит дело с испаряющимися черными дырами. И вот мы приходим к парадоксу, к логической нестыковке. Союз квантовой механики и общей теории относительности говорит нам, что черные дыры должны испариться, но мы заключаем, что результат несовместим с квантовой механикой. Должно быть, мы делаем какую-то ошибку, но где?
Мысленные эксперименты, созданные для изучения этого парадокса, обычно просят нас представить пару наблюдателей, Боба и Алису, которые делят пару запутанных частиц — этих жутких сущностей из эксперимента ЭПР. Алиса прыгает в черную дыру, унося с собой свою частицу, тогда как Боб остается снаружи и далеко со своей. Без Алисы частица Боба просто типична, ее спин может измеряться как вверх, так и вниз — информация, которой она когда-то делилась со своим запутавшимся партнером, теряется вместе с Алисой.
Боб и Алиса играют центральную роль в одном из самых популярных предлагаемых решений парадокса, называемом комплементарностью черных дыр. Предложенная в 1993 году Леонардом Сасскиндом, Ларусом Торлациусом и Джоном Аглумом, работавшими тогда в Стэнфордском университете, комплементарность черных дыр основывается на золотом правиле Эйнштейна для мысленного эксперимента : строгое внимание к тому, что можно измерить. Сасскинд и его коллеги постулировали, что информация, поступающая к Алисе, должна выйти позже с излучением испаряющейся черной дыры. Этот сценарий обычно создает еще одно несоответствие, потому что квантовая механика допускает только парную запутанность с одним партнером за раз — свойство, называемое моногамией запутанности. То есть, если частица Боба запуталась с частицей Алисы, она не может быть запутана ни с чем другим. Но комплементарность черных дыр требует, чтобы частица Боба была запутана с частицей Алисы.0003 и с излучением, которое позже излучает черная дыра, хотя это и нарушает моногамию.
Таким образом, на первый взгляд кажется, что комплементарность черных дыр заменяет одно несоответствие другим.
Но, как и в случае совершенного преступления, если никто на самом деле не увидит этого несоответствия, возможно, оно сможет ниспровергнуть строгие законы природы. Комплементарность черных дыр основывается на аргументе, что ни один наблюдатель физически не может увидеть, как запутанные частицы Алисы и Боба нарушают правила.
Чтобы представить себе, как может разворачиваться это совершенное квантово-механическое преступление, представьте себе третьего наблюдателя, Чарли, парящего рядом с черной дырой и наблюдающего за Алисой и Бобом. Он наблюдает, как Боб остается снаружи, а Алиса падает внутрь, все время измеряя излучение черной дыры. Теоретически информация, закодированная в этом излучении, могла бы подсказать Чарли, что Боб и Алиса нарушили моногамию своей запутанности. Однако, чтобы знать наверняка, Чарли должен был сравнить свои наблюдения не только с измерениями Боба, но и с измерениями Алисы — внутри черной дыры.
Поэтому он должен зависнуть над горизонтом, измерить испускаемое излучение, а затем прыгнуть, чтобы рассказать Алисе, что он нашел. Удивительно, но Сасскинд и Торлациус показали, что как бы Чарли ни старался, он не может войти в черную дыру и сравнить свою информацию с информацией Алисы до того, как их обоих разорвет приливная сила. Их ужасная судьба предполагает, что никакие нарушения квантовой механики никогда не могут быть измерены вокруг черной дыры, и поэтому теоретики могут безнаказанно совершать это преступление против природы.
Достаточно сказать, что не все теоретики убеждены в правильности этого аргумента. Одна из критических замечаний по поводу дополнительности черных дыр состоит в том, что она может нарушить принцип эквивалентности Эйнштейна — тот, который вырос из его мысленного эксперимента с лифтом. Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что так же, как пассажир лифта не может отличить гравитацию от ускорения, наблюдатель, пересекающий горизонт черной дыры, не должен заметить ничего необычного; наблюдатель никак не может сказать, что он или она проскользнули мимо точки невозврата.
Теперь вернемся к запутанности Алисы и Боба. Если излучение, которое Боб видит далеко за пределами дыры, содержит всю информацию, которая, как мы думали, исчезла вместе с Алисой за горизонтом, то это излучение должно было быть испущено с чрезвычайно высокой энергией; в противном случае он не избежал бы сильного гравитационного притяжения вблизи горизонта. Эта энергия достаточно высока, чтобы испарить любого падающего наблюдателя, прежде чем он или она проскользнет за горизонт черной дыры. Другими словами, комплементарность черных дыр подразумевает, что черные дыры имеют «брандмауэр» сразу за горизонтом, и тем не менее этот брандмауэр прямо противоречит предсказаниям принципа эквивалентности Эйнштейна.
На этом мы углубились в область теории. Действительно, мы можем никогда не узнать решения этих головоломок. Но поскольку эти решения могут привести к пониманию квантовой природы пространства и времени, эти загадки, к лучшему или к худшему, являются одними из самых ярких областей исследований в теоретической физике.
И все это восходит к размышлениям Эйнштейна о падающих лифтах.
Первоначально эта статья была опубликована под заголовком «Поездка в голову» в журнале Scientific American 313, 3, 46-49.(сентябрь 2015 г.)
doi:10.1038/scientificamerican0915-46
ДОПОЛНИТЕЛЬНО УЗНАТЬ
Кости Эйнштейна и кот Шрёдингера: как два великих ума сразились с квантовой случайностью, чтобы создать единую теорию физики. Пол Халперн. Basic Books, 2015.
ОБ АВТОРАХ
Сабина Хоссенфельдер — физик и научный сотрудник Франкфуртского института перспективных исследований в Германии. В настоящее время она работает над темной материей и основами квантовой механики. Кредит: Ник Хиггинс
Воображаемый эксперимент | наука | Британника
- Похожие темы:
- Аргумент китайской комнаты кот Шрёдингера
См. весь соответствующий контент →
Gedankenexperiment (нем. «мысленный эксперимент») термин, используемый физиком немецкого происхождения Альбертом Эйнштейном для описания его уникального подхода к использованию концептуальных, а не реальных экспериментов при создании теории относительности.
Например, Эйнштейн описал, как в возрасте 16 лет он видел себя мысленным взором, когда он ехал на световой волне и смотрел на другую световую волну, движущуюся параллельно его. Согласно классической физике, Эйнштейн должен был видеть вторую световую волну, движущуюся с относительной нулевой скоростью. Однако Эйнштейн знал, что электромагнитные уравнения шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла абсолютно требуют, чтобы свет всегда двигался со скоростью 3 × 10 8 метра (186 000 миль) в секунду в вакууме. Ничто в теории не позволяет световой волне иметь нулевую скорость. Возникла и другая проблема: если неподвижный наблюдатель видит свет со скоростью 3 × 10 8 метров в секунду, в то время как наблюдатель, движущийся со скоростью света, видит свет со скоростью, равной нулю, это означало бы, что законы электромагнетизма зависят от наблюдателя. Но в классической механике одни и те же законы применимы ко всем наблюдателям, и Эйнштейн не видел причин, почему электромагнитные законы не должны быть в равной степени универсальными.
Эйнштейн использовал еще один мысленный эксперимент , чтобы начать построение своей общей теории относительности. Он ухватился за озарение, которое пришло к нему в 1907 году. Как он объяснил в лекции в 1922 году:
Я сидел на стуле в своем патентном бюро в Берне. Внезапно меня осенила мысль: если человек свободно падает, он не чувствует своего веса. Я был ошеломлен. Этот простой мысленный эксперимент произвел на меня глубокое впечатление. Это привело меня к теории гравитации.
Эйнштейн имел в виду любопытный факт, известный во времена английского физика сэра Исаака Ньютона: какой бы ни была масса объекта, он падает на Землю с одинаковым ускорением (без учета сопротивления воздуха) 90,8 метра (32 фута) в секунду в квадрате. Ньютон объяснил это, постулировав два типа массы: инертную массу, которая сопротивляется движению и входит в его общие законы движения, и гравитационную массу, которая входит в его уравнение для силы тяжести.
Он показал, что если две массы равны, то все объекты будут падать с одинаковым гравитационным ускорением.
Эйнштейн, однако, понял нечто более глубокое. Человек, стоящий в лифте с оборванным кабелем, чувствует себя невесомым, поскольку корпус свободно падает на Землю. Причина в том, что и он, и лифт ускоряются вниз с одинаковой скоростью и, следовательно, падают с одинаковой скоростью; следовательно, если не смотреть снаружи лифта на свое окружение, он не может определить, что его тянет вниз. Фактически, он не может провести эксперимент в закрытом падающем лифте, чтобы определить, находится ли он в гравитационном поле. Если он выпустит мяч из руки, он будет падать с той же скоростью, просто оставаясь там, где он его выпустит. И если бы он увидел, как мяч опускается к полу, он не мог бы сказать, было ли это потому, что он покоился в гравитационном поле, которое тянуло мяч вниз, или потому, что трос тянул лифт вверх, так что его пол поднимался к земле. мяч.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Эйнштейн выразил эти идеи в своем обманчиво простом принципе эквивалентности, лежащем в основе общей теории относительности: в локальном масштабе — то есть в рамках данной системы, без рассмотрения других систем — невозможно различить физические эффекты, связанные с гравитацией и эффекты, связанные с ускорением.
В этом случае, продолжение Эйнштейна Gedankenexperiment , на свет должна влиять гравитация. Представьте, что в лифте просверлено отверстие прямо в двух противоположных стенах. Когда лифт находится в состоянии покоя, луч света, входящий в одно отверстие, движется по прямой линии, параллельной полу, и выходит через другое отверстие. Но если лифт ускоряется вверх, к тому времени, когда луч достигает второго отверстия, отверстие смещается и больше не совпадает с лучом. Когда пассажир видит, что свет не попадает во второе отверстие, он заключает, что луч прошел по криволинейной траектории (фактически, по параболе).
Если луч света искривляется в ускоренной системе, то, согласно принципу эквивалентности, свет должен искривляться и под действием силы тяжести, что противоречит обыденному ожиданию, что свет будет двигаться прямолинейно (если только он не перейдет из одной среды в другой).
