Un segell distintiu de la carrera d'Albert Einstein va ser el seu ús d'experiments mentals visualitzats () com a eina fonamental per entendre els problemes físics i per dilucidar els seus conceptes als altres. Els experiments de pensament d'Einstein van prendre diverses formes. En la seva joventut, va perseguir mentalment raigs de llum. Per a la relativitat especial, va utilitzar trens en moviment i llamps per explicar les seves idees més penetrants. Per a la relativitat general, va considerar una persona que cau d'un sostre, accelera els ascensors, escarabats cecs arrossegant-se per superfícies corbes i similars. En els seus debats amb Niels Bohr sobre la naturalesa de la realitat, va proposar dispositius imaginaris que intentaven mostrar, almenys en concepte, com es podia eludir el principi d'incertesa de Heisenberg. En una contribució profunda a la literatura sobre mecànica quàntica, Einstein va considerar que dues partícules interactuaven breument i després s'apartaven de manera que els seus estats es correlacionin, anticipant-se al fenomen conegut com a entrellaçament quàntic.
Introducció Un experiment mental és un argument lògic o model mental llançat en el context d'un escenari imaginari (hipotètic o fins i tot contrafactual). Un experiment de pensament científic, en particular, pot examinar les implicacions d'una teoria, llei o conjunt de principis amb l'ajuda de particulars ficticis i/o naturals (dimonis que classifiquen molècules, gats la vida dels quals depèn d'una desintegració radioactiva, homes en ascensors tancats) en un entorn idealitzat (trampes sense massa, absència de fricció). Descriuen experiments que, llevat d'algunes idealitzacions específiques i necessàries, es podrien realitzar al món real.
A diferència dels experiments físics, els experiments de pensament no informen de noves dades empíriques. Només poden aportar conclusions basades en raonaments deductius o inductius a partir dels seus supòsits de partida. Els experiments de pensament invoquen particulars que són irrellevants per a la generalitat de les seves conclusions. És la invocació d'aquests detalls els que donen als experiments mentals el seu aspecte d'experimentació. Un experiment mental sempre es pot reconstruir com un argument senzill, sense els detalls irrellevants. John D. Norton, un conegut filòsof de la ciència, ha assenyalat que "un bon experiment mental és un bon argument; un mal experiment mental és un mal argument".
Quan s'utilitzen eficaçment, els detalls irrellevants que converteixen un argument senzill en un experiment mental poden actuar com a "bombes d'intuïció" que estimulen la capacitat dels lectors d'aplicar les seves intuïcions a la seva comprensió d'un escenari. Els experiments de pensament tenen una llarga història. Potser la més coneguda de la història de la ciència moderna és la demostració de Galileu que els objectes que cauen han de caure al mateix ritme independentment de la seva massa. De vegades s'ha considerat que això era una demostració física real, que implicava pujar a la Torre Inclinada de Pisa i deixar caure dos pesos pesats. De fet, era una demostració lògica descrita per Galileu a Discorsi e dimostrazioni matematiche (1638).
Einstein tenia una comprensió molt visual de la física. El seu treball a l'oficina de patents "el va estimular a veure les ramificacions físiques dels conceptes teòrics". Aquests aspectes del seu estil de pensament el van inspirar a omplir els seus papers amb detalls pràctics vívids fent-los bastant diferents dels, per exemple, els papers de Lorentz o Maxwell. Això va incloure el seu ús d'experiments de pensament.
Relativitat especial Perseguint un raig de llum Al final de la vida, va recordar Einstein miniatura|L'experiment mental d'Einstein quan era un estudiant de 16 anys «...una paradoxa a la qual ja havia topat als setze anys: si persegueixo un feix de llum amb la velocitat c (velocitat de la llum en el buit), hauria d'observar un feix de llum com un camp electromagnètic. en repòs encara que oscil·lant espacialment. Sembla que no hi ha tal cosa, però, ni sobre la base de l'experiència ni segons les equacions de Maxwell. Des del primer moment em va semblar intuïtivament clar que, jutjat des del punt de vista d'un observador així, tot hauria de passar segons les mateixes lleis que per a un observador que, en relació amb la terra, es trobava en repòs. Perquè, com hauria de saber o poder determinar el primer observador que es troba en un estat de moviment uniforme ràpid? Es veu en aquesta paradoxa el germen de la teoria de la relativitat especial ja està contingut. »
Els records d'Einstein de les seves reflexions juvenils són àmpliament citats a causa de les pistes que proporcionen del seu gran descobriment posterior. No obstant això, Norton ha assenyalat que les reminiscències d'Einstein probablement es van pintar per mig segle de retrospectiva. Norton enumera diversos problemes amb el relat d'Einstein, tant històrics com científics:
1. Amb 16 anys i estudiant al Gymnasium d'Aarau, Einstein hauria fet l'experiment mental a finals de 1895 fins a principis de 1896. Però diverses fonts assenyalen que Einstein no va aprendre la teoria de Maxwell fins al 1898, a la universitat. 2. Un teòric de l'èter del segle XIX no hauria tingut cap dificultat amb l'experiment mental. L'afirmació d'Einstein, "... sembla que no hi ha tal cosa... sobre la base de l'experiència", no hauria comptat com una objecció, sinó que hauria representat una mera declaració de fets, ja que ningú no havia viatjat mai a aquest lloc. velocitats. 3. Un teòric de l'èter hauria considerat que "... ni segons les equacions de Maxwell" simplement representava un malentès per part d'Einstein. Sense cap idea que la velocitat de la llum representi un límit còsmic, el teòric de l'èter simplement hauria establert una velocitat igual a c, va assenyalar que sí, la llum semblaria congelada, i després no hi hauria pensat més.
En lloc que l'experiment de pensament sigui gens incompatible amb les teories de l'èter (que no ho és), sembla que el jove Einstein ha reaccionat a l'escenari des d'una sensació intuïtiva d'error. Va considerar que les lleis de l'òptica haurien d'obeir el principi de la relativitat. A mesura que va créixer, el seu primer experiment de pensament va adquirir nivells més profunds de significació: Einstein va considerar que les equacions de Maxwell haurien de ser les mateixes per a tots els observadors en moviment inercial. A partir de les equacions de Maxwell, es pot deduir una única velocitat de la llum, i no hi ha res en aquest càlcul que depengui de la velocitat d'un observador. Einstein va intuir un conflicte entre la mecànica newtoniana i la velocitat constant de la llum determinada per les equacions de Maxwell.
Independentment de les qüestions històriques i científiques descrites anteriorment, els primers experiments de pensament d'Einstein formaven part del repertori de casos de prova que va utilitzar per comprovar la viabilitat de les teories físiques. Norton suggereix que la veritable importància de l'experiment mental va ser que va proporcionar una poderosa objecció a les teories d'emissió de la llum, en les quals Einstein havia treballat durant diversos anys abans de 1905.
Imant i conductor miniatura|Experiment mental d'imant i conductor En el primer paràgraf del treball seminal d'Einstein de 1905 que introduïa la relativitat especial, escriu:
«És ben sabut que l'electrodinàmica de Maxwell, com s'entén habitualment actualment, quan s'aplica als cossos en moviment, condueix a asimetries que no semblen vincular-se als fenòmens. Recordem, per exemple, la interacció electrodinàmica entre un imant i un conductor. El fenomen observable depèn aquí només del moviment relatiu del conductor i de l'imant, mentre que, segons la concepció habitual, els dos casos, en què, respectivament, l'un o l'altre dels dos cossos és el que està en moviment, han de ser estrictament diferenciades entre si. Perquè si l'imant està en moviment i el conductor està en repòs, a l'entorn de l'imant sorgeix un camp elèctric dotat d'un determinat valor energètic que produeix un corrent en els llocs on es troben parts del conductor. Però si l'imant està en repòs i el conductor està en moviment, no es produeix cap camp elèctric a l'entorn de l'imant, mentre que en el conductor s'originarà una força electromotriu, a la qual en si mateixa no li correspon cap energia, però que, sempre que el moviment relatiu en els dos casos considerats és el mateix, dona lloc a corrents elèctrics que tenen la mateixa magnitud i el mateix curs que els produïts per les forces elèctriques en el primer cas. »
Aquest paràgraf inicial explica els coneguts resultats experimentals obtinguts per Michael Faraday el 1831. Els experiments descriuen el que semblaven ser dos fenòmens diferents: l' EMF de moviment generat quan un cable es mou a través d'un camp magnètic (vegeu la força de Lorentz), i lEMF del transformador generat per un camp magnètic canviant (a causa de l'equació de Maxwell-Faraday). El mateix James Clerk Maxwell va cridar l'atenció sobre aquest fet en el seu article de 1861 On Physical Lines of Force. A la segona meitat de la part II d'aquest document, Maxwell va donar una explicació física separada per a cadascun dels dos fenòmens.
Tot i que Einstein anomena l'asimetria "coneguda", no hi ha cap evidència que cap dels contemporanis d'Einstein considerés que la distinció entre EMF de moviment i EMF del transformador era estranya o apuntava a una manca de comprensió de la física subjacent. Maxwell, per exemple, havia discutit repetidament les lleis de la inducció de Faraday, subratllant que la magnitud i la direcció del corrent induït només era funció del moviment relatiu de l'imant i el conductor, sense que els molestés la clara distinció entre conductor en- moviment i imant en moviment en el tractament teòric subjacent.
Tanmateix, la reflexió d'Einstein sobre aquest experiment va representar el moment decisiu del seu llarg i tortuós camí cap a la relativitat especial. Tot i que les equacions que descriuen els dos escenaris són completament diferents, no hi ha cap mesura que pugui distingir si l'imant es mou, el conductor es mou o tots dos.
En una revisió de 1920 sobre les idees i mètodes fonamentals de la teoria de la relativitat (no publicada), Einstein va relatar com de inquietant va trobar aquesta asimetria:
"La idea que aquests dos casos haurien de ser essencialment diferents era insuportable per a mi. Segons la meva convicció, la diferència entre tots dos només podria residir en l'elecció del punt de vista, però no en una diferència real <en la realitat de la natura>.:20 »
Einstein necessitava estendre la relativitat del moviment que va percebre entre l'imant i el conductor en l'experiment mental anterior a una teoria completa. Durant anys, però, no sabia com es podia fer això. Es desconeix el camí exacte que va prendre Einstein per resoldre aquest problema. Sabem, però, que Einstein va passar uns quants anys perseguint una teoria d'emissió de la llum, trobant-se amb dificultats que finalment el van portar a abandonar l'intent.
«A poc a poc em vaig desesperar de la possibilitat de descobrir les lleis veritables mitjançant esforços constructius basats en fets coneguts. Com més temps i més desesperadament ho intentava, més vaig arribar a la convicció que només el descobriment d'un principi formal universal ens podia portar a resultats segurs.:49 »
Aquesta decisió finalment va portar al seu desenvolupament de la relativitat especial com una teoria basada en dos postulats. L'expressió original d'Einstein d'aquests postulats va ser:
"Les lleis que regeixen els canvis d'estat de qualsevol sistema físic no depenen de quin dels dos sistemes de coordenades en moviment de translació uniforme entre si es refereixen aquests canvis d'estat.