何燕

摘 要：理想實(shí)驗(yàn)是以已有的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，在思維中把研究對(duì)象和實(shí)際條件加以理想化和純化，抽象或塑造出來(lái)的一種理想化過(guò)程的實(shí)驗(yàn)。在思想上構(gòu)成理想化的研究客體，以代替實(shí)際的研究客體，從而使科學(xué)抽象得以純化和簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)在物理研究中的應(yīng)用越來(lái)越重要。

關(guān)鍵詞：抽象；理想化方法；理想實(shí)驗(yàn)；純化；簡(jiǎn)化

宇宙包羅萬(wàn)象，事物變化萬(wàn)千，科學(xué)家們總是在不斷地探索。然而，在科學(xué)研究中實(shí)際事物及其過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的，因此抓住研究對(duì)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(yùn)用理想化方法。理想化方法來(lái)源于實(shí)踐，而又能彌補(bǔ)實(shí)踐的不足。因此，理想實(shí)驗(yàn)在物理研究中的重要性不言而喻。

理想實(shí)驗(yàn)又叫思想實(shí)驗(yàn)或假想實(shí)驗(yàn)，是以已有的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，在思維中把研究對(duì)象和實(shí)際條件加以理想化和純化，抽象或塑造出來(lái)的一種理想化過(guò)程的實(shí)驗(yàn)。理想實(shí)驗(yàn)是以實(shí)踐為基礎(chǔ)的，它是在已有科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，對(duì)實(shí)際過(guò)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(shí)驗(yàn)不是一種真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，不能用以檢驗(yàn)真理，它始終是一種邏輯推理。

例如，在愛(ài)因斯坦建立狹義相對(duì)論時(shí)，也曾經(jīng)做了關(guān)于同時(shí)性的相對(duì)性的一個(gè)“理想實(shí)驗(yàn)”，即當(dāng)東西兩道閃電同時(shí)下?lián)粢粭l東西方向的鐵軌時(shí)，對(duì)于站在兩道閃電正中間的鐵軌旁邊的一個(gè)觀(guān)察者來(lái)說(shuō)，這兩道閃電是同時(shí)發(fā)生的。但是，對(duì)于坐在一列由東向西高速行進(jìn)的火車(chē)中的第二個(gè)觀(guān)察者來(lái)說(shuō)，這兩道閃電并不是同時(shí)下?lián)舻?。因?yàn)椋诙€(gè)觀(guān)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(shí)間要早一點(diǎn)。因此，在靜止的觀(guān)察者看來(lái)是同時(shí)發(fā)生的閃電，而在運(yùn)動(dòng)著的觀(guān)察者看來(lái)卻是西方先亮，接著東方再亮。

愛(ài)因斯坦曾設(shè)想：升降機(jī)不是自由下落，而是在一個(gè)不變的力的作用下垂直向上運(yùn)動(dòng)這時(shí)，設(shè)想有一束光穿過(guò)一個(gè)側(cè)面窗口水平地射進(jìn)升降機(jī)內(nèi)，并且在極短時(shí)間之后，到達(dá)對(duì)面的墻上。由于光在空間沿直線(xiàn)傳播，但升降機(jī)正在向上運(yùn)動(dòng)，而在光朝墻照射的時(shí)間內(nèi)，升降機(jī)已經(jīng)改變了位置，因此，光線(xiàn)所射到的點(diǎn)不會(huì)與窗口的點(diǎn)恰好相對(duì)，而會(huì)稍微低一點(diǎn)。也就是說(shuō)，相對(duì)于升降機(jī)而言，光線(xiàn)不是沿著直線(xiàn)而是沿著稍微彎曲的曲線(xiàn)行進(jìn)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(ài)因斯坦預(yù)言：一束光在引力場(chǎng)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(xiàn)會(huì)由于引力的作用而彎曲一樣。愛(ài)因斯坦由理想實(shí)驗(yàn)而得出的光線(xiàn)在引力場(chǎng)中會(huì)發(fā)生彎曲這一廣義相對(duì)論效應(yīng)，為后來(lái)的觀(guān)測(cè)結(jié)果所證實(shí)。

“小滑塊沿光滑斜面滑動(dòng)”的實(shí)驗(yàn)是理想實(shí)驗(yàn)。當(dāng)一個(gè)球從一個(gè)斜面上滾下而又滾上第二個(gè)斜面時(shí)，球在第二個(gè)斜面上所達(dá)到的高度同它在第一個(gè)斜面上開(kāi)始滾下時(shí)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(huà)，高度將恰好相等。然后，他推想說(shuō)，在完全沒(méi)有摩擦的情況下，不管第二個(gè)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(gè)斜面的傾斜度完全消除了，那么球從第一個(gè)斜面上滾下來(lái)之后，將以恒定的速度在無(wú)限長(zhǎng)的平面上永遠(yuǎn)不停地運(yùn)動(dòng)下去。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橛肋h(yuǎn)也無(wú)法將摩擦完全消除掉。所以，這只是一個(gè)“理想實(shí)驗(yàn)”。

除此之外，還有“水桶實(shí)驗(yàn)”就是一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，用以判斷哪些運(yùn)動(dòng)是相對(duì)于絕對(duì)空間的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。牛頓的判斷依據(jù)是：若水面平坦，則沒(méi)有絕對(duì)運(yùn)動(dòng)；若水面呈凹形，則有絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。這就是牛頓相對(duì)于絕對(duì)看見(jiàn)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。牛頓從伽利略的理想實(shí)驗(yàn)中達(dá)到啟發(fā)，運(yùn)用了理想實(shí)驗(yàn)——拋體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，建立了萬(wàn)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(yùn)動(dòng)，伽利略在研究時(shí)設(shè)計(jì)了“落體佯謬實(shí)驗(yàn)”，實(shí)際上，他沒(méi)有去做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。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(shí)具有相同的速度。

在熱力學(xué)的研究中，為了搞清楚熱機(jī)的效率，提出了一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)：卡諾循環(huán)。也就是用兩個(gè)理想的等溫過(guò)程和兩個(gè)理想的絕熱過(guò)程，完成一個(gè)熱力學(xué)循環(huán)。通過(guò)這樣一個(gè)理想的熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)循環(huán)過(guò)程，卡諾得到了熱機(jī)的最高熱效率。這樣的循環(huán)實(shí)驗(yàn)，完全是理想化的實(shí)驗(yàn)，任何實(shí)際的循環(huán)都是不可能做到的。負(fù)熱力學(xué)溫度的實(shí)驗(yàn)是理想實(shí)驗(yàn)，當(dāng)溫度趨于無(wú)窮大時(shí)，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(jí)。

“收縮實(shí)驗(yàn)”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(shí)驗(yàn)，人們是無(wú)法做到的。烏倫貝克和古德斯密根據(jù)史特恩——蓋拉赫實(shí)驗(yàn)及光譜線(xiàn)精細(xì)結(jié)論設(shè)想電子自旋實(shí)驗(yàn)，每個(gè)電子不僅有電荷和質(zhì)量，而且還有數(shù)值為的恒定機(jī)械動(dòng)量矩，稱(chēng)為電子的自旋角量。著名物理學(xué)家薛定諤也曾通過(guò)“理想實(shí)驗(yàn)”提出了“薛定諤貓佯謬”實(shí)驗(yàn)。

由這些例子可以看出，理想實(shí)驗(yàn)在物理研究中有著廣泛的應(yīng)用，起著重要的作用。實(shí)質(zhì)上，理想實(shí)驗(yàn)是任何時(shí)候都不能實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，它是在人們的思想中建立的一個(gè)理想過(guò)程，但是，理想實(shí)驗(yàn)又不能脫離實(shí)際的主觀(guān)臆想。

參考文獻(xiàn)：

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

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