物理學(xué)中的理想化方法

【摘 要】物理學(xué)上有很多復(fù)雜的物理問題可以利用理想模型和理想實驗得以解決，伽利略、牛頓、愛因斯坦等人通過設(shè)計理想實驗和建立理想模型創(chuàng)建了劃時代的科學(xué)理論。分析這些理想化方法的典例可以突出使用理想化方法的一些特點，可清晰地揭示出科學(xué)家們理想化思維方法的要點和功能，以啟迪人的心智。

【關(guān)鍵詞】理想化方法 理想模型 理想實驗 理想化思維方法

【中圖分類號】G632 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-4810（2013）18-0123-02

一 理想化方法概述

理想化方法即一種科學(xué)抽象，是研究物理學(xué)的重要方法，它根據(jù)所研究的問題的需要和具體情況，確定其主要因素和次要因素，保留主要因素，省略次要因素，排除其他干擾，最終簡明扼要地揭示事物的本質(zhì)。

1.理想模型

理想模型：為了簡化問題，突出主要矛盾，用以代替復(fù)雜而具體的實際研究對象，而引入的簡單抽象的理想物體。模型是指尺度、樣本、標(biāo)準(zhǔn)。事物、現(xiàn)象和過程之間存在形態(tài)、規(guī)律等方面的相似性是模型方法的客觀基礎(chǔ)和抽象思維方法。

理想模型的建立：（1）建立理想模型必須以真實實驗或客觀事實作基礎(chǔ)；（2）理想模型又稱模型或是概念，是科學(xué)抽象的產(chǎn)物，反應(yīng)事物的本質(zhì)屬性；（3）運用思維把事物的某些屬性引至極限的結(jié)果。如物理學(xué)中常用的理想模型有：質(zhì)點、孤立系、點光源、點電荷等。

理想模型在自然科學(xué)研究中的重要作用有：（1）具有對研究對象極度簡化和純化的作用；（2）理想模型法可以幫助人們認(rèn)識事物的規(guī)律性；（3）物理模型法可以促進(jìn)人的想象力和邏輯思維能力的發(fā)揮和發(fā)展。

2.理想實驗

理想實驗，又叫做假想實驗或思想上的實驗。理想實驗不同于具體的實驗，它不是一種實踐活動，不能作為一種實踐活動，不能作為檢驗科學(xué)理論的基礎(chǔ)。

第一，伽利略的斜面實驗。在伽利略之前，人們都認(rèn)為，一切運動如果不是不斷加力的話，即使沒有阻力，最終也會停下來。伽利略首先認(rèn)識到這個觀點是錯誤的。他發(fā)現(xiàn)具有初速度的物體在一平面上運動時，物體最終之所以停下來，就是因為受到摩擦力的作用，接觸面越光滑，物體受摩擦力就越小，物體運動的路程和時間也就越長，問題的關(guān)鍵在于接觸面光滑程度如何，假定接觸面具有理想的光滑程度，就可以把阻力忽略不計，物體就能保持其速度永遠(yuǎn)運動下去，這就揭示了“運動的物體一旦沒有受力的作用，就能保持其速度永遠(yuǎn)運動下去。”這是從理想實驗中得出來的一個科學(xué)定律。伽利略觀察到：當(dāng)一個球從第一個斜面上滾下又滾上第二個斜面時，球在第二個斜面上所達(dá)到的高度同第一個斜面上達(dá)到的高度近似。他斷定由于摩擦的存在而導(dǎo)致這一細(xì)微差異，如果將摩擦消除，那么第二次高度將等同于第一次的高度。他又推想，在完全沒有摩擦的情況下，不管第二個斜面的傾斜度有多么小，它在第二個斜面上總要達(dá)到相同的高度。假設(shè)第二斜面的斜度完全消除，那么球從第一個斜面滾下來后，將以恒速在無限長的平面上不停地運動下去。第二，牛頓的拋體實驗。牛頓延續(xù)了伽利略的傳統(tǒng)，在思索萬有引力問題時設(shè)計出了一個著名的理想實驗——拋體運動實驗。一塊石頭投出，由于自身重量的壓力，被迫離開直線路徑，如果單有初始投擲，理應(yīng)按直線運動，而這時卻在空氣中畫出了曲線，落在地面，投擲的速度越大，它落地前走得越遠(yuǎn)。于是，我們可以假設(shè)當(dāng)速度增到如此之大，在落地前描出1251001000英里長的弧線，直到最后超出了地球的限度，進(jìn)入空間永不觸及地球。這個實驗在當(dāng)時的實驗條件下是無論如何不能實現(xiàn)的。牛頓在真實的拋體運動的基礎(chǔ)上，發(fā)揮思維的力量把拋體的速度推到地球引力范圍之外。

“由于向心力，行星會保持于某一軌道。”如果我們考慮拋體運動，也就不難理解。

第三，愛因斯坦的追光實驗。愛因斯坦在《自述片斷》中寫道，“在阿勞這一年中，我想到這樣一個問題：倘若一個人以光速跟著光波跑，那么他就處在一個不隨時間改變的波場中。但看來不會有這樣的事情發(fā)生，這是同狹義相對論有關(guān)的第一個樸素的思想實驗。”

愛因斯坦在另一本自傳中回憶他的生平時，這樣寫道：經(jīng)過十年沉思之后我從一個悖論中得到了這樣一個原理，這個悖論我在16歲時就無意中想到了，如果我以光速C追隨一條光線運動，那么我就應(yīng)當(dāng)看到，這樣一條光線它就好像一個在空間里震蕩著而停滯不前的電磁場。可是依據(jù)經(jīng)驗，還是按照麥克斯韋方程組，看來都不會有這樣的事情，從一開始在我直覺地看來就很清楚，從這樣一個觀察的觀點來判斷，一切都應(yīng)當(dāng)像一個相對于地球是靜止的觀察者所看到的那樣按照同樣的一些定律進(jìn)行。因為一個觀察者怎么會知道或能判明他是處在均勻的快速運動狀態(tài)中呢？

3.理想化方法在物理學(xué)研究中的作用

第一，理想化方法為邏輯思維創(chuàng)設(shè)了條件。邏輯思維是把握事物的本質(zhì)及其規(guī)律的重要手段，邏輯思維的形式是概念、判斷和推理。理想化方法為我們建立了進(jìn)行邏輯思維所必需的許多概念，也為我們考察事物的基本過程創(chuàng)設(shè)了良好的條件。由這些概念和條件出發(fā)，我們就可以通過推導(dǎo)和運算，清晰而準(zhǔn)確地認(rèn)識自然規(guī)律，建立科學(xué)的假說。如理想化方法建立了“質(zhì)點”、“勻變速直線運動”等概念，這樣我們就能推導(dǎo)出勻變速直線運動的規(guī)律，就能根據(jù)給定的初態(tài)，對物體運動狀態(tài)作出預(yù)測。

第二，理想化方法可以超越客觀條件的限制。實際事物的運動要受許多因素的干擾，有的干擾因素?zé)o法絕對排除，如我們要研究物體在不受外力作用下的運動規(guī)律，但實際中，并不存在絕對不受外力作用的環(huán)境。運用理想化方法，可以超越客觀條件的限制，在思維中創(chuàng)造出理想的條件，得出規(guī)律性的結(jié)論。

第三，通過理想化處理獲得的結(jié)果，具有現(xiàn)實意義。（1）在許多情況下，通過理想化處理而獲得的結(jié)果，可以近似地直接代替實際事物，而不會出現(xiàn)多大的偏差。如在溫度不太低、壓強不太大的情形下，實際氣體能在很高的精度上遵循理想氣體狀態(tài)方程。（2）通過理想化處理獲得的結(jié)果，可以過渡到實際事物上。如要求一個帶電圓環(huán)附近一點的場強，圓環(huán)雖然不能直接簡化為點電荷，但我們可以先將圓環(huán)分割為許多小段，將每一小段看作點電荷，求出每一個點電荷在該點產(chǎn)生的場強，然后再作疊加。再如在溫度較低密度和壓強較高時，實際氣體不能看作理想氣體，這時我們可以通過對理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT做適當(dāng)修正得出。

二 理想化思維方法的特點

從以往的科學(xué)史實中，我們可以感受到大師們跳動著的思維脈搏——理想化思維方法。

1.理想化思維方法

理想化思維方法是思維主體運用非邏輯思維方法和邏輯思維方法相結(jié)合的思維方法，抓住事物性質(zhì)的主要方面，剔除次要方面，塑造理想化實驗過程、創(chuàng)建理想模型而從事科學(xué)創(chuàng)造活動的一種思維方法。理想化思維方法包含在理想實驗和理想模型等具體的理想化過程中。

第一，理想化思維方法的客觀性。理想化思維方法一般貫穿在理想實驗和理想模型之中，理想模型和理想實驗的客觀性導(dǎo)致了理想化思維方法的客觀性。

第二，理想化思維方法的邏輯性。一定的邏輯法則是其推理過程的依據(jù)，而這些邏輯是在無數(shù)次實踐中形成的結(jié)局。理想化思維方法可以加深人們對真實實驗的理解，克服具體實驗的局限性，進(jìn)一步揭示出客觀現(xiàn)象和過程之間內(nèi)在的邏輯聯(lián)系。

第三，理想化思維方法的創(chuàng)造性實踐的廣度和深度。也是理想化思維方法的非邏輯思維活動的廣度和深度，與創(chuàng)造性思維活動的廣度和深度密切聯(lián)系在一起的。一個毫無物理知識、一個不從事物理方面科學(xué)實驗活動的人，絕對不會進(jìn)行斜面思想實驗，也不會得出慣性定律。

2.理想化思維方法在科學(xué)探究中的作用

第一，理想化思維方法是科學(xué)抽象的重要手段。在一般的實驗研究中，不可能完全排除次要因素和外來干擾，而在理想化過程中，可以發(fā)揮理想化思維的力量，經(jīng)過高度抽象得到理想客體，把對象的主要矛盾或主要特征，以純粹的理想化形式呈現(xiàn)出來，從而深刻地揭示自然過程的客觀規(guī)律性。

第二，理想化思維方法有助于指導(dǎo)實驗者進(jìn)行理想實驗，以直覺地把握事物的本質(zhì)。事物具有質(zhì)的多樣性，事物的質(zhì)又具有隱蔽性。對于事物的本質(zhì)不可能一次就認(rèn)識清楚，當(dāng)認(rèn)識到事物的初級本質(zhì)之后，還有二三級本質(zhì)，因此，需要進(jìn)行多次反復(fù)的認(rèn)識。認(rèn)識事物的本質(zhì)可以借助可操作性的觀察和實驗，但是，比如認(rèn)識了萬有引力，無論怎么做操作性的觀察和實驗，也無法得到物化的結(jié)果。但理想化思維指導(dǎo)下的思想實驗可以克服客觀條件限制所帶來的種種困難，可以超脫邏輯思維的束縛，可以充分發(fā)揮非邏輯思維能力，構(gòu)想理想化的精神客體，進(jìn)行意念性的操作思維，拋開種種現(xiàn)象的迷惑，直覺地把握事物更深層的本質(zhì)。

第三，建立理想模型，形成科學(xué)預(yù)見可運用理想化思維方法。理想化思維方法的形式有理想實驗（思想實驗）和理想模型。建立理想模型有助于揭示事物的特殊本質(zhì)，形成科學(xué)預(yù)見。如在數(shù)十年前，人們發(fā)現(xiàn)104號以上的元素都有極強的放射性，且壽命極短，為了預(yù)測后面的元素的穩(wěn)定性，科學(xué)家們分析了已有元素的質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)與穩(wěn)定性的關(guān)系，建立了類似立體地圖的理想模型，用該模型預(yù)測到114號元素將極其穩(wěn)定。1999年1月俄美聯(lián)合小組合成了114號元素，4月美國勞倫斯-柏克萊實驗合成116、118號元素。

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〔責(zé)任編輯：肖薇〕