試論理想實驗在物理學中的應用

何燕

摘 要：理想實驗是以已有的實驗為基礎，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。在思想上構成理想化的研究客體，以代替實際的研究客體，從而使科學抽象得以純化和簡化，以利于揭示自然規律。隨著科學研究的發展和深入，我們發現理想實驗在物理研究中的應用越來越重要。

關鍵詞：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，科學家們總是在不斷地探索。然而，在科學研究中實際事物及其過程是相當復雜的，因此抓住研究對象的主要因素，就不難發現其中的規律。在物理學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，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的，它是在已有科學實驗的基礎上，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，也曾經做了關于同時性的相對性的一個“理想實驗”，即當東西兩道閃電同時下擊一條東西方向的鐵軌時，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擊的。因為，第二個觀察者是在行近西方的閃電而遠離東方的閃電，西方的閃電到達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，設想有一束光穿過一個側面窗口水平地射進升降機內，并且在極短時間之后，到達對面的墻上。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，升降機已經改變了位置，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。根據光具有質量以及慣性質量和引力質量的等效性，愛因斯坦預言：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生彎曲這一廣義相對論效應，為后來的觀測結果所證實。

“小滑塊沿光滑斜面滑動”的實驗是理想實驗。當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不停地運動下去。這個實驗是無法實現的，因為永遠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到啟發，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”，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，到達末端時具有相同的速度。

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

“收縮實驗”就是像稀薄的氣體和鋼鐵這樣一些性質上差別很大的物質都做同樣的收縮，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史特恩——蓋拉赫實驗及光譜線精細結論設想電子自旋實驗，每個電子不僅有電荷和質量，而且還有數值為的恒定機械動量矩，稱為電子的自旋角量。著名物理學家薛定諤也曾通過“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用，起著重要的作用。實質上，理想實驗是任何時候都不能實現的實驗，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.自然科學概論[M].北京：科學出版社，1982.5.

2.王培智.軟科學知識辭典.北京：國展望出版社，1988.