理想实验及其在物理学中的作用

　　摘要：物理实验是物理学理论的基础，理想实验在物理学的发展中起到了不可替代的作用，本文通过理想实验事例，进一步说明理想实验不仅可以澄清物理学中的错误观念,而且是建立新概念、探索新理论的有效方法。

　　关键词：理想实验;方法论

　　所谓“理想实验”，又叫做“假想实验”、“抽象的实验”或“思想上的实验”，它是人们在思想中塑造的理想过程，是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法。但是，“理想实验”并不是脱离实际的主观臆想，首先，它是以实践为基础的。其次，“理想实验”的推理过程，是以一定的逻辑法则为根据的，而这些逻辑法则，都是从长期的社会实践中总结出来的，并为实践所证实了的。

　　1理想实验能澄清物理学中的错误观念,推动物理学的发展

　　早在公元前4世纪，亚里士多德提出关于“力是维持物体运动的原因”这一错误观念，直到近代物理学之父伽利略痛斥了亚里士多德的错误观点,推出了物理学的新观念。伽利略借助的就是理想实验的方法,他从小球沿斜面从高度h的位置静止滚上另一个斜面中揭示了物体具有惯性的特征。如果斜面是光滑的,小球将上升到原来的高度;如果减小第二个斜面的倾角,随着倾角越来越小,小球将会滚得越来越远(运动时间也越长),试想在极限情况下,当倾角变为零时,小球永远达不到原来的高度,而要沿着水平面以恒定的速度运动下去。伽利略由此得出结论：在理想情况下，如果表面绝对光滑，运动物体受到阻力为零，这时物体将以恒定不变的速度永远运动下去，即后来牛顿提出的惯性定律——运动第一定律，这也标志着物理学的真正开端[1]。在某种意义上来说,理想实验澄清了物理学中的错误观念,推动物理学的发展。

　　2.理想实验是建立新概念的最佳方法

　　理想实验不像真实实验那样依靠人们直接使用仪器,进行实际操作,但也有一定的程序[2]。由著名的“麦克斯韦妖”这一理想实验引入负熵的概念就是最好的例证。1871年,麦克斯韦在《热的原理》一书中，设计了一个被称为“麦克斯韦妖”的“理想实验”，对该定律提出了质疑，麦克斯韦指出:“在温度均匀的容器中,单个气体分子的运动速度是不均匀的，然而大量分子的平均速度却是均匀的，现在让我们来假定把这样一个容器分为两个部分：A和B，在分界上有一个小孔，使得只有快分子从A跑向B，而慢分子从B跑向A,这样就在不消耗功的情况下，B的温度升高,A的温度降低，而与热力学第二定律发生了矛盾。”直到布里渊在前人研究的基础上进一步研究了信息跟熵的关系,认为麦克斯韦的小精灵要完成分子动能有效转移，就必须获得分子运动的信息，也就是要看得见、分得出，这就需要进入外界的光线和能量，而光线和能量进入密闭容器后，这会引起熵的增加，增加的熵足以抵消麦克斯韦妖所减小的熵。所以，“麦克斯韦妖是一个非封闭系统”即开放系统。光线和能量进入容器，就是向该容器输入负熵，从而引入了负熵的概念，对宇宙的熵的无限增大的错误理论提出了有力的挑战。

　　3.理想实验是探索和创建新理论的有效方法

　　爱因斯坦不仅创建了狭义相对论，而且创建了广义相对论。在这两种新理论的创建过程中，爱因斯坦运用了大量的理想实验作为他这两种理论的方法论依据，“追光”是爱因斯坦与狭义相对论有关的第一个朴素的理想实验。他想：“如果我以速度5f0bc13a5b338_html_d6c546c0b6635d23.gif追随一条光线运动，那么我就应当看到，这样一条光线就好像一个在空间里振荡着而停滞不前的电磁场，可是无论依据经验，还是按照麦克斯韦方程,看来都不会有这样的事情。”从而使他认识到，伽利略变换和麦克斯韦方程之间的矛盾，想到牛顿力学所隐含的问题。而对同时性的相对性，爱因斯坦则是通过这样一个理想实验形象地论证的：东西方同时出现闪电时，站在中间的观察者认为是同时发生的，而坐在由东向西行驶的火车上，并由他旁边经过的第二个观察者则认为不是同时发生的。

　　这是因为第二个观察者正在趋近西方的闪电而远离东方的闪电，因此他认为西方的闪电早于东方的闪电。因此静止的观察者看来是同时发生的闪电，在运动的观察者看来却是有先后之分。若再进一步设想，第二个观察者坐的火车若是以光速由东向西前进，则他只能看到西方的闪电而不能看到东方的闪电，因为东方的闪电根本追不上他。爱因斯坦在这里指出了时间的相对性——相对论的精髓之一。

　　同时，爱因斯坦又通过理想的时钟和理想的刚性量杆两个实验进一步指出：“我们不能给予同时性这个概念以任何绝对的意义，两个事件，从一个静系看来是同时的，而从另一个相对于这个坐标系运动着的坐标系看来，它们就不能再被认为是同时的事件了。”在这里，爱因斯坦对“同时性”定义了新的概念，提出了长度和时间的相对性原理。在相对论的创建中，爱因斯坦运用理想实验作为新理论的论证工具和基础。除前面提到的两个理想实验外，比如还有借助两个流质物体的转动和两只时钟在旋转盘上的理想实验等，找到了之所以要扩充相对论公设的缘由，提出了广义协变的公设要求。这样构筑出了广义相对论的框架，为广义相对论的建立铺平了道路。可以说，爱因斯坦在创建相对论的过程中，巧妙地利用理想实验指出相对论的某些原理，理想实验的方法是爱因斯坦最具特色的重要科学研究方法，使它在相对论的创建过程中占有独特的地位。相对论的创建史，就是理想实验一部绝妙的运用史。

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　　4.结束语

　　综上所述，理想实验用于物理学的研究之中,且成功地推动物理学向前发展，在科学研究中的作用是显著的。当然，同时需要注意的是，理想实验所提供关于现实原形的信息只具有相似的性质，过分夸大理想实验的作用，将其结果无条件外推也是不对的。通过理想化实验方法所得到的任何结论，还须尽可能地通过现实的科学实验或观察去作近似的验证，从而证明和加深认识其正确性。

　　参考文献:

　　[1]卢学伟.漫谈理想实验在物理学发展中的作用[J].现代物理知识,10(2):40～42.

　　[2]张青狮.实验在物理学的产生、发展和完善中的作用[J].技术物理教学学报,2003,11(4):12～29.

　　作者：张甲