摘要：物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)理論的基礎(chǔ)，理想實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)的發(fā)展中起到了不可替代的作用，本文通過理想實(shí)驗(yàn)事例，進(jìn)一步說明理想實(shí)驗(yàn)不僅可以澄清物理學(xué)中的錯(cuò)誤觀念,而且是建立新概念、探索新理論的有效方法。

　　關(guān)鍵詞：理想實(shí)驗(yàn);方法論

　　所謂“理想實(shí)驗(yàn)”，又叫做“假想實(shí)驗(yàn)”、“抽象的實(shí)驗(yàn)”或“思想上的實(shí)驗(yàn)”，它是人們?cè)谒枷胫兴茉斓睦硐脒^程，是一種邏輯推理的思維過程和理論研究的重要方法。但是，“理想實(shí)驗(yàn)”并不是脫離實(shí)際的主觀臆想，首先，它是以實(shí)踐為基礎(chǔ)的。其次，“理想實(shí)驗(yàn)”的推理過程，是以一定的邏輯法則為根據(jù)的，而這些邏輯法則，都是從長(zhǎng)期的社會(huì)實(shí)踐中總結(jié)出來的，并為實(shí)踐所證實(shí)了的。

　　1理想實(shí)驗(yàn)?zāi)艹吻逦锢韺W(xué)中的錯(cuò)誤觀念,推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展

　　早在公元前4世紀(jì)，亞里士多德提出關(guān)于“力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因”這一錯(cuò)誤觀念，直到近代物理學(xué)之父伽利略痛斥了亞里士多德的錯(cuò)誤觀點(diǎn),推出了物理學(xué)的新觀念。伽利略借助的就是理想實(shí)驗(yàn)的方法,他從小球沿斜面從高度h的位置靜止?jié)L上另一個(gè)斜面中揭示了物體具有慣性的特征。如果斜面是光滑的,小球?qū)⑸仙�到原來的高�?如果減小第二個(gè)斜面的傾角,隨著傾角越來越小,小球?qū)��?huì)滾得越來越遠(yuǎn)(運(yùn)動(dòng)時(shí)間也越長(zhǎng)),試想在極限情況下,當(dāng)傾角變?yōu)榱銜r(shí),小球永遠(yuǎn)達(dá)不到原來的高度,而要沿著水平面以恒定的速度運(yùn)動(dòng)下去。伽利略由此得出結(jié)論：在理想情況下，如果表面絕對(duì)光滑，運(yùn)動(dòng)物體受到阻力為零，這時(shí)物體將以恒定不變的速度永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去，即后來牛頓提出的慣性定律——運(yùn)動(dòng)第一定律，這也標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端[1]。在某種意義上來說,理想實(shí)驗(yàn)澄清了物理學(xué)中的錯(cuò)誤觀念,推動(dòng)物理學(xué)的發(fā)展。

　　2.理想實(shí)驗(yàn)是建立新概念的最佳方法

　　理想實(shí)驗(yàn)不像真實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)菢右揽咳藗冎苯邮褂脙x器,進(jìn)行實(shí)際操作,但也有一定的程序[2]。由著名的“麥克斯韋妖”這一理想實(shí)驗(yàn)引入負(fù)熵的概念就是最好的例證。1871年,麥克斯韋在《熱的原理》一書中，設(shè)計(jì)了一個(gè)被稱為“麥克斯韋妖”的“理想實(shí)驗(yàn)”，對(duì)該定律提出了質(zhì)疑，麥克斯韋指出:“在溫度均勻的容器中,單個(gè)氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度是不均勻的，然而大量分子的平均速度卻是均勻的，現(xiàn)在讓我們來假定把這樣一個(gè)容器分為兩個(gè)部分：A和B，在分界上有一個(gè)小孔，使得只有快分子從A跑向B，而慢分子從B跑向A,這樣就在不消耗功的情況下，B的溫度升高,A的溫度降低，而與熱力學(xué)第二定律發(fā)生了矛盾。”直到布里淵在前人研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了信息跟熵的關(guān)系,認(rèn)為麥克斯韋的小精靈要完成分子動(dòng)能有效轉(zhuǎn)移，就必須獲得分子運(yùn)動(dòng)的信息，也就是要看得見、分得出，這就需要進(jìn)入外界的光線和能量，而光線和能量進(jìn)入密閉容器后，這會(huì)引起熵的增加，增加的熵足以抵消麥克斯韋妖所減小的熵。所以，“麥克斯韋妖是一個(gè)非封閉系統(tǒng)”即開放系統(tǒng)。光線和能量進(jìn)入容器，就是向該容器輸入負(fù)熵，從而引入了負(fù)熵的概念，對(duì)宇宙的熵的無限增大的錯(cuò)誤理論提出了有力的挑戰(zhàn)。

　　3.理想實(shí)驗(yàn)是探索和創(chuàng)建新理論的有效方法

　　愛因斯坦不僅創(chuàng)建了狹義相對(duì)論，而且創(chuàng)建了廣義相對(duì)論。在這兩種新理論的創(chuàng)建過程中，愛因斯坦運(yùn)用了大量的理想實(shí)驗(yàn)作為他這兩種理論的方法論依據(jù)，“追光”是愛因斯坦與狹義相對(duì)論有關(guān)的第一個(gè)樸素的理想實(shí)驗(yàn)。他想：“如果我以速度5f0bc13a5b338_html_d6c546c0b6635d23.gif追隨一條光線運(yùn)動(dòng)，那么我就應(yīng)當(dāng)看到，這樣一條光線就好像一個(gè)在空間里振蕩著而停滯不前的電磁場(chǎng)，可是無論依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，還是按照麥克斯韋方程,看來都不會(huì)有這樣的事情。”從而使他認(rèn)識(shí)到，伽利略變換和麥克斯韋方程之間的矛盾，想到牛頓力學(xué)所隱含的問題。而對(duì)同時(shí)性的相對(duì)性，愛因斯坦則是通過這樣一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)形象地論證的：東西方同時(shí)出現(xiàn)閃電時(shí)，站在中間的觀察者認(rèn)為是同時(shí)發(fā)生的，而坐在由東向西行駛的火車上，并由他旁邊經(jīng)過的第二個(gè)觀察者則認(rèn)為不是同時(shí)發(fā)生的。

　　這是因?yàn)榈诙�個(gè)觀察者正在趨近西方的閃電而遠(yuǎn)離東方的閃電，因此他認(rèn)為西方的閃電早于東方的閃電。因此靜止的觀察者看來是同時(shí)發(fā)生的閃電，在運(yùn)動(dòng)的觀察者看來卻是有先后之分。若再進(jìn)一步設(shè)想，第二個(gè)觀察者坐的火車若是以光速由東向西前進(jìn)，則他只能看到西方的閃電而不能看到東方的閃電，因?yàn)闁|方的閃電根本追不上他。愛因斯坦在這里指出了時(shí)間的相對(duì)性——相對(duì)論的精髓之一。

　　同時(shí)，愛因斯坦又通過理想的時(shí)鐘和理想的剛性量桿兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步指出：“我們不能給予同時(shí)性這個(gè)概念以任何絕對(duì)的意義，兩個(gè)事件，從一個(gè)靜系看來是同時(shí)的，而從另一個(gè)相對(duì)于這個(gè)坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)著的坐標(biāo)系看來，它們就不能再被認(rèn)為是同時(shí)的事件了。”在這里，愛因斯坦對(duì)“同時(shí)性”定義了新的概念，提出了長(zhǎng)度和時(shí)間的相對(duì)性原理。在相對(duì)論的創(chuàng)建中，愛因斯坦運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)作為新理論的論證工具和基礎(chǔ)。除前面提到的兩個(gè)理想實(shí)驗(yàn)外，比如還有借助兩個(gè)流質(zhì)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)和兩只時(shí)鐘在旋轉(zhuǎn)盤上的理想實(shí)驗(yàn)等，找到了之所以要擴(kuò)充相對(duì)論公設(shè)的緣由，提出了廣義協(xié)變的公設(shè)要求。這樣構(gòu)筑出了廣義相對(duì)論的框架，為廣義相對(duì)論的建立鋪平了道路。可以說，愛因斯坦在創(chuàng)建相對(duì)論的過程中，巧妙地利用理想實(shí)驗(yàn)指出相對(duì)論的某些原理，理想實(shí)驗(yàn)的方法是愛因斯坦最具特色的重要科學(xué)研究方法，使它在相對(duì)論的創(chuàng)建過程中占有獨(dú)特的地位。相對(duì)論的創(chuàng)建史，就是理想實(shí)驗(yàn)一部絕妙的運(yùn)用史。

　　物理論文投稿刊物：《現(xiàn)代物理知識(shí)》雜志(雙月刊)隸屬于中國(guó)物理學(xué)會(huì)高能物理學(xué)會(huì)分會(huì)，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所主辦，是我國(guó)物理學(xué)科的一份中、高級(jí)科普性期刊。該刊以介紹科學(xué)技術(shù)知識(shí)、推廣科技成果、提高全民族科須技術(shù)水平為主要任務(wù)。陶冶讀者的科學(xué)情趣，促進(jìn)中外交流。

　　4.結(jié)束語

　　綜上所述，理想實(shí)驗(yàn)用于物理學(xué)的研究之中,且成功地推動(dòng)物理學(xué)向前發(fā)展，在科學(xué)研究中的作用是顯著的。當(dāng)然，同時(shí)需要注意的是，理想實(shí)驗(yàn)所提供關(guān)于現(xiàn)實(shí)原形的信息只具有相似的性質(zhì)，過分夸大理想實(shí)驗(yàn)的作用，將其結(jié)果無條件外推也是不對(duì)的。通過理想化實(shí)驗(yàn)方法所得到的任何結(jié)論，還須盡可能地通過現(xiàn)實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)或觀察去作近似的驗(yàn)證，從而證明和加深認(rèn)識(shí)其正確性。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]盧學(xué)偉.漫談理想實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)發(fā)展中的作用[J].現(xiàn)代物理知識(shí),10(2):40～42.

　　[2]張青獅.實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)的產(chǎn)生、發(fā)展和完善中的作用[J].技術(shù)物理教學(xué)學(xué)報(bào),2003,11(4):12～29.

　　作者：張甲