بزرگترین توانایی اینشتین، قابلیت توضیح و بسط مفاهیم فیزیک با اتفاقات روزمره بود، وی این مباحث را با نام آزمایش فکری منتشر می‌کرد. بعضا این آزمایش‌های فکری کوچک اینشتین باعث تغییر در بزرگ‌ترین و مشهورترین نظریات فیزیک، مانند نظریه کوآنتوم و نظریه نسبیت می‌شدند.

آزمایش فکری تعقیب نور

اینشتین این آزمایش را زمانی طراحی کرد که تنها ۱۶ سال داشت. چه اتفاقی می‌افتد اگر شما بتوانید با سرعت نور حرکت کرده و پرتویی از نور را دنبال کنید؟

اینشتین استدلال کرد که اگر شما بتوانید با این سرعت حرکت کرده و به آن پرتو برسید، احتمالا آن پرتو را به صورت ثابت و بی‌حرکت خواهید دید. اما مگر نور هم از حرکت می‌ایستد؟ اینشتین سپس به این نتیجه رسید که سرعت پرتویی از نور به هیچ عنوان قابل کاهش نیست و همواره با سرعت نور از منبع خود در حال گریز است. پس چیز دیگری باید تغییر کند، و آن مسلما زمان است. سپس وی از این آزمایش فکری استدلال کرد که زمان نیز به خودی خود مجبور به تغییر است و همین مفهوم، زمینه را برای نظریه نسبیت در ذهن اینشتین آماده کرد.

آزمایش فکری قطار و صاعقه

تصور کنید راهی سفری به وسیله راه‌آهن هستید، قطار به تازگی راه افتاده و با سرعت کمی در حال حرکت است، شما نیز در کنار پنجره قطار ایستاده و با دوست خود که از روی سکوی راه‌آهن برای شما دست تکان می‌دهد در حال خداحافظی هستید. هم‌زمان دو صاعقه به ابتدا و انتهای قطار برخورد می‌کنند، دوست شما هر دو صاعقه را در یک زمان خواهد دید اما شما در لحظه اصابت، به صاعقه‌ای نزدیک‌تر هستید که به ابتدای قطار برخورد کرده است و قطار به سوی آن حرکت می‌کند، پس آن صاعقه را زودتر می‌بینید.

این آزمایش به اینشتین نشان داد زمان برای فردی که در حال حرکت است، نسبت به فردی که حرکتی ندارد به صورت متفاوتی در گذر است و همین آزمایش به ظاهر کوچک، باور اینشتین مبنی بر رابطه و تقارن زمان و مکان را تغییر داد و سنگ بنایی شد برای ایجاد نظریه نسبیت.

آزمایش فکری دوقلوهای جدا از هم

این آزمایش یکی از آزمایشات اثبات کننده نظریه اتساع زمان اینشتین است. یک جفت دوقلو با فاصله بسیار کمی از یکدیگر متولد می‌شوند، یکی از آنها در همان لحظه تولد در فضاپیمایی قرار داده شده و با سرعت نور به فضا پرتاب می‌شود. بر طبق نظریه نسبیت اینشتین، اگر این فرد بعد از رسیدن به بلوغ در فضاپیما به زمین بازگردد، جفت زمینی او برای بازنشستگی خود آماده می‌شود. زیرا وقتی شما با سرعت نور در حرکت هستید، زمان با سرعت کمتری برای شما می‌گذرد.

آزمایش فکری آسانسور

تصور کنید که در یک آسانسور شناور هستید و از اتفاقات بیرون آن کاملا بی‌خبرید. ناگهان بر اثر یک جا‌به‌جایی به کف آسانسور برخورد می‌کنید. آیا این جاذبه است که در حال کشیدن آسانسور به سمت پایین است یا طناب آسانسور در حال بالا کشیدن شماست؟

این واقعیت که هردوی این علت‌ها می‌تواند معلول یکسانی داشته باشد، اینشتین را به این نتیجه رساند که میان جاذبه و شتاب تفاوتی وجود ندارد و این دو مفهومی یکسان هستند. از آزمایش قبلی نیز نتیجه گرفتیم که زمان و مکان مطلق نیستند، پس اگر جا‌به‌جایی می‌تواند روی زمان و مکان تاثیر بگذارد و همچنین جاذبه و شتاب مفهومی یکتا داشته باشند، در آن صورت جاذبه می‌تواند بر زمان و مکان تاثیر بگذارد. نتیجه گیری اینشتین از این آزمایش در آینده قسمت بزرگی از نظریه نسبیت را تشکیل داد.

آزمایش فکری دو روی سکه

اینشتین هیچگاه طرفدار نظریه کوآنتوم نبود و همواره با طرح آزمایشات و مسائل مختلف در پی به چالش کشیدن و رد این نظریه بود. اما آزمایش فکری دو روی سکه او توانست پیشگامان نظریه کوآنتوم را به چالش کشیده و آن‌ها را مجبور کند که این نظریه را گسترش دهند و با جزئیات بیشتری منتشر کنند.

تصور کنید شما سکه‌ای دارید که دو سوی آن به راحتی از یکدیگر جدا می‌شوند، سکه را بالا انداخته و پس از گرفتن آن، بدون آنکه به سکه نگاه کنید یک روی آن را به دوست خود می‌دهید و دیگری را در دست خود نگه می‌دارید. سپس دوست شما سوار بر فضاپیمایی شده و با سرعت نور از شما دور می‌شود. شما به سمتی که در دست خود دارید نگاه کرده و متوجه می‌شوید دارای قسمت شیر سکه شده‌اید و طبیعتا دوست شما نیز خط را در دست دارد. پس اگر دو سوی سکه را نامشخص در نظر بگیریم، سکه توانسته از سرعت نور پیشی بگیرد و هر نیمه، به عنوان پدیده‌ای مستقل، بدون توجه به اینکه چندین سال نوری از یکدیگر دور هستند روی نیمه دیگر تاثیر بگذارد.