試論理想實驗在物理學(xué)中的應(yīng)用

何燕

摘 要：理想實驗是以已有的實驗為基礎(chǔ)，在思維中把研究對象和實際條件加以理想化和純化，抽象或塑造出來的一種理想化過程的實驗。在思想上構(gòu)成理想化的研究客體，以代替實際的研究客體，從而使科學(xué)抽象得以純化和簡化，以利于揭示自然規(guī)律。隨著科學(xué)研究的發(fā)展和深入，我們發(fā)現(xiàn)理想實驗在物理研究中的應(yīng)用越來越重要。

關(guān)鍵詞：抽象；理想化方法；理想實驗；純化；簡化

宇宙包羅萬象，事物變化萬千，科學(xué)家們總是在不斷地探索。然而，在科學(xué)研究中實際事物及其過程是相當(dāng)復(fù)雜的，因此抓住研究對象的主要因素，就不難發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律。在物理學(xué)中就常常運用理想化方法。理想化方法來源于實踐，而又能彌補實踐的不足。因此，理想實驗在物理研究中的重要性不言而喻。

理想實驗又叫思想實驗或假想實驗，是以已有的實驗為基礎(chǔ)，在思維中把研究對象和實際條件加以理想化和純化，抽象或塑造出來的一種理想化過程的實驗。理想實驗是以實踐為基礎(chǔ)的，它是在已有科學(xué)實驗的基礎(chǔ)上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，對實際過程做出更深刻的抽象分析，是以一定的邏輯法則為依據(jù)的。理想實驗不是一種真實的實驗，不能用以檢驗真理，它始終是一種邏輯推理。

例如，在愛因斯坦建立狹義相對論時，也曾經(jīng)做了關(guān)于同時性的相對性的一個“理想實驗”，即當(dāng)東西兩道閃電同時下?lián)粢粭l東西方向的鐵軌時，對于站在兩道閃電正中間的鐵軌旁邊的一個觀察者來說，這兩道閃電是同時發(fā)生的。但是，對于坐在一列由東向西高速行進的火車中的第二個觀察者來說，這兩道閃電并不是同時下?lián)舻摹Ｒ驗?，第二個觀察者是在行近西方的閃電而遠(yuǎn)離東方的閃電，西方的閃電到達(dá)他眼里的時間要早一點。因此，在靜止的觀察者看來是同時發(fā)生的閃電，而在運動著的觀察者看來卻是西方先亮，接著東方再亮。

愛因斯坦曾設(shè)想：升降機不是自由下落，而是在一個不變的力的作用下垂直向上運動這時，設(shè)想有一束光穿過一個側(cè)面窗口水平地射進升降機內(nèi)，并且在極短時間之后，到達(dá)對面的墻上。由于光在空間沿直線傳播，但升降機正在向上運動，而在光朝墻照射的時間內(nèi)，升降機已經(jīng)改變了位置，因此，光線所射到的點不會與窗口的點恰好相對，而會稍微低一點。也就是說，相對于升降機而言，光線不是沿著直線而是沿著稍微彎曲的曲線行進的。根據(jù)光具有質(zhì)量以及慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量的等效性，愛因斯坦預(yù)言：一束光在引力場中由于引力的作用而彎曲，就如同以光速水平拋出的物體的路線會由于引力的作用而彎曲一樣。愛因斯坦由理想實驗而得出的光線在引力場中會發(fā)生彎曲這一廣義相對論效應(yīng)，為后來的觀測結(jié)果所證實。

“小滑塊沿光滑斜面滑動”的實驗是理想實驗。當(dāng)一個球從一個斜面上滾下而又滾上第二個斜面時，球在第二個斜面上所達(dá)到的高度同它在第一個斜面上開始滾下時的高度幾乎相等。伽利略斷定高度上的這一微小差別是由于摩擦而產(chǎn)生的，如能將摩擦完全消除的話，高度將恰好相等。然后，他推想說，在完全沒有摩擦的情況下，不管第二個斜面的傾斜度多么小，球在第二斜面上總要達(dá)到相同的高度。最后，如果第二個斜面的傾斜度完全消除了，那么球從第一個斜面上滾下來之后，將以恒定的速度在無限長的平面上永遠(yuǎn)不停地運動下去。這個實驗是無法實現(xiàn)的，因為永遠(yuǎn)也無法將摩擦完全消除掉。所以，這只是一個“理想實驗”。

除此之外，還有“水桶實驗”就是一個理想實驗，用以判斷哪些運動是相對于絕對空間的絕對運動。牛頓的判斷依據(jù)是：若水面平坦，則沒有絕對運動；若水面呈凹形，則有絕對運動。這就是牛頓相對于絕對看見的絕對運動。牛頓從伽利略的理想實驗中達(dá)到啟發(fā)，運用了理想實驗——拋體運動實驗，建立了萬有引力定律。

人們熟知的不考慮空氣阻力作用的自由落體運動，伽利略在研究時設(shè)計了“落體佯謬實驗”，實際上，他沒有去做這個實驗。伽利略提出了“等末速度假設(shè)”，即靜止物體不論是沿豎直方向還是沿不同斜面，從同一高度下落，到達(dá)末端時具有相同的速度。

在熱力學(xué)的研究中，為了搞清楚熱機的效率，提出了一個理想實驗：卡諾循環(huán)。也就是用兩個理想的等溫過程和兩個理想的絕熱過程，完成一個熱力學(xué)循環(huán)。通過這樣一個理想的熱力學(xué)實驗循環(huán)過程，卡諾得到了熱機的最高熱效率。這樣的循環(huán)實驗，完全是理想化的實驗，任何實際的循環(huán)都是不可能做到的。負(fù)熱力學(xué)溫度的實驗是理想實驗，當(dāng)溫度趨于無窮大時，熱力學(xué)系統(tǒng)的能力應(yīng)相當(dāng)于有限的極限以及系統(tǒng)有限數(shù)目的能級。

“收縮實驗”就是像稀薄的氣體和鋼鐵這樣一些性質(zhì)上差別很大的物質(zhì)都做同樣的收縮，而這樣的實驗，人們是無法做到的。烏倫貝克和古德斯密根據(jù)史特恩——蓋拉赫實驗及光譜線精細(xì)結(jié)論設(shè)想電子自旋實驗，每個電子不僅有電荷和質(zhì)量，而且還有數(shù)值為的恒定機械動量矩，稱為電子的自旋角量。著名物理學(xué)家薛定諤也曾通過“理想實驗”提出了“薛定諤貓佯謬”實驗。

由這些例子可以看出，理想實驗在物理研究中有著廣泛的應(yīng)用，起著重要的作用。實質(zhì)上，理想實驗是任何時候都不能實現(xiàn)的實驗，它是在人們的思想中建立的一個理想過程，但是，理想實驗又不能脫離實際的主觀臆想。

參考文獻：

1.陳衡.自然科學(xué)概論[M].北京：科學(xué)出版社，1982.5.

2.王培智.軟科學(xué)知識辭典.北京：國展望出版社，1988.