理想實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)中的作用

1、理想實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)中的作用山西大同大學(xué)題目：理想試驗(yàn)在物理學(xué)中的作用院系： 物 電 學(xué) 院專業(yè)： 物 理 學(xué)班級：12級物理三班 學(xué)號：120702011315姓名： 李 青 林指導(dǎo)老師：李 萍 完成日期：理想實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)中的作用李青林 摘 要：“理想試驗(yàn)”是物理學(xué)中一種重要的研究方法，它 關(guān)鍵詞：1. 引言：物理學(xué)中常常為了驗(yàn)證一個理論或便于研究，除了建立“理想模型”，還常常應(yīng)用“理想試驗(yàn)”。 物理實(shí)驗(yàn)的構(gòu)成要素也同其它自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)一樣，是實(shí)驗(yàn)者、實(shí)驗(yàn)對象和實(shí)驗(yàn)手段三者組成。物理實(shí)驗(yàn)的過程，就是實(shí)驗(yàn)者通過自己有目的活動，借助實(shí)驗(yàn)手段，觀察和研究實(shí)驗(yàn)對象,演繹客觀變化的過程。理想試驗(yàn)是一種科學(xué)的

2、研究方法，對物理學(xué)的發(fā)展，對新理論的建立，對已有理論的補(bǔ)充和完善起到了重要作用。物理實(shí)驗(yàn)論文就是表述這一過程及這一過程的結(jié)論。理想實(shí)驗(yàn)是人們在以認(rèn)識的自然規(guī)律和科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用邏輯推理方法,思維中,把客觀的實(shí)驗(yàn)條件和研究對象加以理想化和純化,抽象或塑造出來的理想化過程的“實(shí)驗(yàn)”。它屬于思想上的實(shí)驗(yàn),不是實(shí)際的、真的實(shí)驗(yàn)。理想實(shí)驗(yàn)完全克服了實(shí)際實(shí)驗(yàn)的局限性,超越了當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)和發(fā)展水平。用理想實(shí)驗(yàn)研究物理學(xué)中的問題,在原有物理科學(xué)技術(shù)和發(fā)展水平。用理想實(shí)驗(yàn)研究物理學(xué)中的問題,在原有物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)事實(shí)基礎(chǔ)上,以物理科學(xué)理論為指導(dǎo),發(fā)揮人的主觀能動性,對研究的物理?xiàng)l件和對象加以理想化,完全排除

3、次要因素和無關(guān)因素干擾,使研究對象的主要特性及其運(yùn)動規(guī)律充分暴露出來,抓住主要矛盾,發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識事物的本質(zhì)及其規(guī)律具有極其特殊的地位和作用。在物理學(xué)發(fā)展中,理想實(shí)驗(yàn)不論對經(jīng)典物理學(xué)的建立,還是對現(xiàn)代物理學(xué)的建立都起了重要的作用。2. 理想試驗(yàn)的概念所謂“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)”，它是人們在思想中塑造的理想過程，是一種邏輯推理的思維過程和理論研究的重要方法是一種邏輯推理的思維過程，理想實(shí)驗(yàn)不是在現(xiàn)實(shí)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而是在想象中、思維中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。但是理想實(shí)驗(yàn)不是脫離實(shí)際的主觀隨意遐想，而是在真實(shí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，突破主觀因素，忽略次要因素，通過思維中塑造理想過程

4、，運(yùn)用邏輯推理的思維過程和理論分析的方法，進(jìn)而揭示物理環(huán)境的內(nèi)在聯(lián)系。它具有真實(shí)實(shí)驗(yàn)的一些特點(diǎn)，有不同于實(shí)際試驗(yàn)。3理想實(shí)驗(yàn)的發(fā)展史“理想實(shí)驗(yàn)”雖然不是一種真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作,但它可作為進(jìn)一步推進(jìn)科學(xué)研究活動向前發(fā)展的手段,作為創(chuàng)造性思維的重要表現(xiàn)形式,作為一種重要的理論研究方法,由此而得到的結(jié)論卻具有重要的意義,“理想實(shí)驗(yàn)”是在物理學(xué)的發(fā)展過程中產(chǎn)生的,又對物理學(xué)的形成 和發(fā)展起到了非常關(guān)鍵和重要的作用。4理想試驗(yàn)在物理學(xué)中的作用4.1物理學(xué)中的理想實(shí)驗(yàn)4.1.1理想實(shí)驗(yàn)在經(jīng)典物理學(xué)建立中的作用 經(jīng)典物理學(xué)大都是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來的、經(jīng)典物理學(xué)家做物理實(shí)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)研究物理問題,得出經(jīng)典物理

5、學(xué)的科學(xué)結(jié)論。其間有一個重要問題,就是難以排除實(shí)驗(yàn)誤差對物理結(jié)論的影響。從誤差的產(chǎn)生來看,誤差源于實(shí)驗(yàn)的條件、實(shí)驗(yàn)的儀器裝臵以及相應(yīng)人員的操作。針對實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的機(jī)理,經(jīng)典物理學(xué)家把實(shí)驗(yàn)的條件加以理想化,實(shí)驗(yàn)的儀器裝臵的理想化,達(dá)到不考慮誤差的影響。從這個過程來看,它可以看作是一個理想實(shí)驗(yàn)。物理實(shí)驗(yàn)的科學(xué)結(jié)論的得出,有理想實(shí)驗(yàn)的功勞。在經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展,利用理想實(shí)驗(yàn)處理實(shí)驗(yàn)誤差,意大利經(jīng)典物理家伽利略堪稱典范。在伽利略的著作里他本人所描述的全部實(shí)驗(yàn)都是理想實(shí)驗(yàn),所寫出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同理論結(jié)論精確地符合。愛因斯坦和英費(fèi)爾德在物理學(xué)的進(jìn)化論中評論伽俐略的推理方法是人類思想史上最偉大的成就之一,而且標(biāo)志

6、物理學(xué)的真正開端。 理想實(shí)驗(yàn)在經(jīng)典物理的建立中,功不可沒。就拿為經(jīng)典力學(xué)作奠基的慣性定律來說,它就是根據(jù)理想實(shí)驗(yàn)得到的。伽利略在思維中這樣設(shè)計:把兩個斜面對接起來，以靜止的小球沿一個斜面滾下來,小球滾上另一個斜面。如果沒有摩擦,小球?qū)⑸仙皆瓉淼母叨?。減少第二個斜面的傾斜角,小球在這個斜面角仍然要達(dá)到原來的高度,但是要通過更長的距離。繼續(xù)減少第二個斜面的傾角,最后使它成為水平面,小球不可能達(dá)到原來的高度,就沿著水平面以恒定的速度持續(xù)運(yùn)動下去。通過這個“理想實(shí)驗(yàn)”建立的慣性定律,不僅徹底地否定古希臘哲學(xué)家亞里斯多德根據(jù)傳統(tǒng)觀念提出來的“必須有力作用在物體上,物體才能運(yùn)動,沒有力的作用,物體就要停

7、下來”的錯誤理論。而且結(jié)束維持人們兩千多年的對力與物體運(yùn)動關(guān)系的錯誤認(rèn)識,使人的認(rèn)識走向正確的軌道。4.12理想實(shí)驗(yàn)對現(xiàn)代物理學(xué)建立的作用 現(xiàn)代物理學(xué)是在經(jīng)典物理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,研究的對象由低速變?yōu)楦咚?由宏觀變?yōu)槲⒂^,深入到廣垠的宇宙深處和物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)化物理學(xué)家研究現(xiàn)代物理問題,在研究過程中需要克服較為復(fù)雜的次要因素和無關(guān)因素,用實(shí)驗(yàn)法研究的局限性越來越大,理想實(shí)驗(yàn)法研究的優(yōu)越性越來越明顯。理想實(shí)驗(yàn)在原有實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ),以科學(xué)理論為指導(dǎo),能夠創(chuàng)造出滿足研究物理問題所需要的一切條件。4.1.3理想實(shí)驗(yàn)對將來物理學(xué)發(fā)展的作用 現(xiàn)在物理學(xué)研究領(lǐng)域表現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)。從微觀念領(lǐng)域來說,已經(jīng)

8、深入到原子內(nèi)部,人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大小不斷減小,能量不斷增加的許多層次原子、原子核、基本粒子、夸克等,已經(jīng)達(dá)到1016米以下的線底。目前還無預(yù)見到這個層級鏈條有沒有一個終端。從宏觀領(lǐng)域來說,人們的視野已經(jīng)擴(kuò)展到半經(jīng)為150億光年的宇宙范圍。依次突破了銀河系、星團(tuán)、星系和總星系的領(lǐng)域。物理學(xué)的研究方法隨之相應(yīng)發(fā)生了新的變化,實(shí)驗(yàn)向高、精、尖方向發(fā)展,表現(xiàn)為集體化、社會化和國際化。如高能物理實(shí)驗(yàn),往往要在幾千億電子伏特的能量范圍,上百萬美元的費(fèi)用,幾十個人在幾年時間才能完成。為了得到所需要的實(shí)驗(yàn)信息,物理學(xué)家必須把大部分精力用于開發(fā)儀表的技術(shù),實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備往往比實(shí)驗(yàn)本身困難得多,科學(xué)實(shí)驗(yàn)靠個人的力量是完不

9、成的。另外,物理學(xué)研究的內(nèi)容遠(yuǎn)離實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的范圍,理論體系高度抽象化和脫離直覺經(jīng)驗(yàn)的特證無可避免地日益增加,通常的思維方式和機(jī)械論的觀點(diǎn)愈來愈無能為力。因而,借助實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)事實(shí),以科學(xué)的理論作指導(dǎo),通過理想實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)在的物理學(xué)問題,充分發(fā)揮人的主觀能動性,就可以克服研究中的不利因素,在物理學(xué)研究領(lǐng)域里達(dá)到有所突破,推動物理學(xué)向前發(fā)展。首都師范大學(xué)物理系李忠就這樣認(rèn)為,理想實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)代科學(xué)方法的核心4.2理想試驗(yàn)與物理教育4.1充分運(yùn)用教材提供的理想實(shí)驗(yàn)建立新的科學(xué)概念理想實(shí)驗(yàn)是一種科學(xué)思想中形象思維與抽象思維的高度統(tǒng)一，是透過事物表面現(xiàn)象，揭示其本質(zhì)的過程，因此理想實(shí)驗(yàn)在科學(xué)發(fā)展中有獨(dú)特的功效

10、，在物理教學(xué)中要充分運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)使學(xué)生進(jìn)行思維訓(xùn)練和物理思想的培養(yǎng)，充分強(qiáng)調(diào)理想實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐性，并突出其思想性。例如“人造地球衛(wèi)星”一節(jié)內(nèi)容中，有牛頓關(guān)于衛(wèi)星上的理想實(shí)驗(yàn)在講解這一例子時要強(qiáng)調(diào)幾個問題,牛頓設(shè)想的空間是理想化的,高山頂上拋鉛球的那個人是理想化的“大力神“軌道隨速度改變是逐漸變化的過程。當(dāng)速度達(dá)到某一定值時，此球?qū)⒀貓A軌道而永遠(yuǎn)不落。當(dāng)球由落地的非圓軌道轉(zhuǎn)化成不落地的圓軌跡時，發(fā)生了質(zhì)的飛躍。這一理想實(shí)驗(yàn)雖然在牛頓時代無法實(shí)現(xiàn)，但現(xiàn)在可實(shí)現(xiàn)所以理想實(shí)驗(yàn)是在一定的條件下轉(zhuǎn)化成實(shí)際實(shí)驗(yàn)的。4.2應(yīng)用理想實(shí)驗(yàn)巧妙地發(fā)現(xiàn)或呈現(xiàn)物理規(guī)律理想實(shí)驗(yàn)具有其深刻地思想性，蘊(yùn)含著與“實(shí)際實(shí)驗(yàn)”對應(yīng)地諸

11、多物理規(guī)律，有的規(guī)律運(yùn)用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)不僅繁雜且無必要，理想實(shí)驗(yàn)則可解決這些問題。例如，幾何光學(xué)中關(guān)于物體運(yùn)動速度與像的移動速度關(guān)系問題，用數(shù)學(xué)運(yùn)算較繁，且不易發(fā)現(xiàn)動態(tài)規(guī)律。例如，一個物體以速度，勻速地在凸透鏡的主軸上運(yùn)動，則它所成的實(shí)像的移動速度與物體運(yùn)動速度之間有何關(guān)系。如果我們設(shè)想一個理想實(shí)驗(yàn)，一個人從無限遠(yuǎn)處沿主軸向凸透鏡勻速走來，開始成像在焦點(diǎn)附近是個“小布點(diǎn)兒”這“小布點(diǎn)兒”逐漸變大。但“小布點(diǎn)兒”的腳步頻率與人走動的頻率一樣。所以在成縮小實(shí)像時，像移動的速度始終小于人運(yùn)動的速度。當(dāng)成放大的實(shí)像時，實(shí)像如同巨人一般人和這巨人實(shí)像的腳步頻率仍然一樣。這時像移動的速度大于人運(yùn)動的速度，由

12、此可知實(shí)像移動速度和人運(yùn)動速度滿足為放大率。巧妙設(shè)計理想實(shí)驗(yàn)還可呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中較難說明的規(guī)律或鞏固一些物理規(guī)律，也可以讓學(xué)生認(rèn)識到某些規(guī)律的局限性。4.3運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣巧妙設(shè)計理想實(shí)驗(yàn)，可以活躍課堂氣氛，融洽師生情感，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，情感智商具有很強(qiáng)的可塑性，且情感智商的高低直接關(guān)系到學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作成敗。課堂教學(xué)中設(shè)計一些具有情感色彩的理想實(shí)驗(yàn)可有效地調(diào)節(jié)課堂氣氛。現(xiàn)代科技的發(fā)展出現(xiàn)了具有還鄉(xiāng)色彩的動畫片，這對拓寬學(xué)生的思維具有極其重要地作用，教師要充分利用這些素材，經(jīng)科學(xué)創(chuàng)新后為課堂教學(xué)服務(wù)。4.4利用理想實(shí)驗(yàn)可以做到出于簡單而歸于深奧理想實(shí)驗(yàn)

13、可以做到出于簡單而歸于深奧，往往可以使某些難于理解的知識變得易于理解。它不僅可以幫助我們澄清物理學(xué)中的錯誤觀念，還可以幫助我們加深對新概念的理解和深化，加強(qiáng)理想實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，可以培養(yǎng)學(xué)生豐富的想象力，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力。例如，麥克斯韋妖這一理想實(shí)驗(yàn)，它不但以鮮明的圖像澄清了熱力學(xué)第二定律的一些疑團(tuán)，更重要的是指出了熵與信息之間的聯(lián)系，成為信息論這門新學(xué)科的先導(dǎo)。4.5利用理想實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生的物理思維能力所謂物理思維，就是物理學(xué)中的科學(xué)思維，在新一輪基礎(chǔ)教育課程改革中，新物理課程標(biāo)準(zhǔn)提到基礎(chǔ)教育階段的物理課程應(yīng)以提高全體學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)為主要目標(biāo)，滿足每個學(xué)生發(fā)展的基本需求，改變學(xué)科本位的觀念

14、，全面提高公民的科學(xué)素質(zhì)。此外，物理課程的價值體現(xiàn)之一就是通過科學(xué)想象與科學(xué)推理方法的結(jié)合，發(fā)展學(xué)生的想象力和分析概括能力，使學(xué)生養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣。由此就產(chǎn)生了如何通過實(shí)踐和教育來培養(yǎng)思維能力的問題,而由于物理思維的特殊性其最佳培養(yǎng)途徑是通過物理教學(xué)來培養(yǎng)。理想實(shí)驗(yàn)作為重要的研究方法。在平時教學(xué)中需要教師不斷創(chuàng)新。這里創(chuàng)新的含義有兩層：首先，是科學(xué)史中或課本上存在的理想實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)造性使用；其次，作為物理教師要大膽創(chuàng)造新的理想實(shí)驗(yàn)，使課堂教學(xué)的思維更活躍，思維力度更大，效率更高。應(yīng)該說明的是隨著多媒體手段的使用，很多理想實(shí)驗(yàn)可以借助三維動畫來實(shí)現(xiàn)。便在程序設(shè)計中必須十分注重理想實(shí)驗(yàn)的思想性和科學(xué)

15、性，使學(xué)生更早的，具有物理頭腦，更快地掌握物理科學(xué)的思想方法科。4.6理想實(shí)驗(yàn)與多媒體技術(shù)的結(jié)合現(xiàn)代教學(xué)離不開現(xiàn)代化的教學(xué)手段，90年代蓬勃發(fā)展起來的多媒體技術(shù)，是將文字、聲音、圖像、靜態(tài)及動態(tài)圖像與計算機(jī)集成在一起的技術(shù)。美國休斯頓大學(xué)和美國國家航空和宇航局約翰遜空間中心的研究人員建立一種稱之為“虛擬物理實(shí)驗(yàn)室”的系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)的學(xué)生可以做包括萬有引力定律在內(nèi)的各種實(shí)驗(yàn)，利用它可以直接研究重力、慣性這類物理現(xiàn)象，可以控制、觀察由于改變重力的大小、方向所產(chǎn)生的種種現(xiàn)象，以及對加速度的影響。從而達(dá)到對物理概念和物理定律的深刻理解。利用計算機(jī)的虛擬環(huán)境和設(shè)定的假設(shè)前提和條件，我們就可以進(jìn)行理想實(shí)

16、驗(yàn)。而且會更加生動逼真，易于理解和接受。這就是最新出現(xiàn)的度媒體演示實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果將不受外界化境等因素的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論完全切合，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰可見。同時我們也應(yīng)該注意到，多媒體演示實(shí)驗(yàn)完全的公式化，理想化，脫離實(shí)際，隱藏了一些實(shí)際問題，不利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題解決問題能力的培養(yǎng)和提高。如何實(shí)現(xiàn)多媒體技術(shù)與理想實(shí)驗(yàn)的完美結(jié)合將是未來教育技術(shù)的一個重要課題。5理想實(shí)驗(yàn)舉例：5.1愛因斯坦與理想實(shí)驗(yàn)無論是1905年建立狹義相對論，還是1915年建立廣義相對論，愛因斯坦在其物理學(xué)研究的過程中，都因運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)而顯得深刻、嚴(yán)密和精彩。5.1.1“愛因斯坦列車”理想實(shí)驗(yàn)19世紀(jì)末，物理學(xué)獲得了一批新的實(shí)

17、驗(yàn)事實(shí)和理論研究成果。例如邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果、洛侖茲對實(shí)驗(yàn)的理論解釋、彭加勒卓有成效的理論研究，都昭示著一個全新的力學(xué)體系將要誕生。并且，他們所得到的一些結(jié)論，實(shí)際上已經(jīng)超出了舊理論的框架。然而，他們都未徹底擺脫牛頓力學(xué)絕對時空觀的束縛，無法從根本上取得理論突破。1905年，年輕的愛因斯坦終于找到了新理論的突破口，即發(fā)現(xiàn)相對性原理。愛因斯坦是用一個理想實(shí)驗(yàn)來闡述他的發(fā)現(xiàn)的。這個理想實(shí)驗(yàn)，就是被后人稱道的“愛因斯坦列車”：當(dāng)兩道閃電同時下?lián)粢粭l東西方向的鐵軌時，對于坐在兩道閃電正中間的鐵軌旁的第一個觀察者來說，兩道閃電是同時發(fā)生的；但是對于坐在由西向東行駛的列車上正好經(jīng)過第一個觀察者的第二

18、個觀察者來說，兩道閃電并不是同時下?lián)舻模驗(yàn)榈诙€觀察者正在以一個速度接近東方的閃電而遠(yuǎn)離西方的閃電，東方的閃電到達(dá)他的眼里要比西方的閃電早一點(diǎn)。所以，在第一個靜止的觀察者看來是同時發(fā)生的閃電，運(yùn)動中的第二觀察者卻看到東方的閃電先亮而西方的閃電后亮。如果進(jìn)一步設(shè)想火車是以光速前進(jìn)的，則西方的閃電永遠(yuǎn)不能追上火車，所以火車上的第二個觀察者就只能看到東方的那一道閃電了。由此，我們不能得到這樣的結(jié)論：在鐵軌旁的第一個觀察者看來是同時發(fā)生的兩件事，而在火車上的第二個觀察者看來卻并不是同時發(fā)生的。顯然，同時性只能是相對的。事實(shí)上，每一個坐標(biāo)都有它本身的特殊時，脫離參照系而孤立地陳述某一事件的時間是沒有意

19、義的?！皭垡蛩固沽熊嚒崩硐雽?shí)驗(yàn)形象而生動地揭示了同時的相對性，從根本上否定了牛頓的絕對時空觀。相對性原理是愛因斯坦建立狹義相對論的基本出發(fā)點(diǎn)。5.1.2“愛因斯坦電梯”理想實(shí)驗(yàn)狹義相對論建立以后，愛因斯坦并沒有止步。他認(rèn)為狹義相對論還有許多問題沒有解決。例如：為什么慣性坐標(biāo)系在物理學(xué)中比他坐標(biāo)系更優(yōu)越？為什么慣性質(zhì)量隨能量變化？為什么一切物體在引力場中下落都具有同樣的加速度？剛剛經(jīng)受住考驗(yàn)的狹義相對論，為什么一用到引力場中就遇到矛盾？愛因斯坦感到極大的困惑。但他堅信自然界的和諧與統(tǒng)一，認(rèn)為要么對慣性坐標(biāo)系為什么特別優(yōu)越作出解釋，要么放棄慣性坐標(biāo)系的優(yōu)越地位。愛因斯坦考慮應(yīng)該把相對性原理推廣到任

20、意參照系中，建立更為普遍的物理理論。他后來寫到：“物理學(xué)的定律必須具有這樣的性質(zhì)，它們對于以無論哪種方式運(yùn)動著的參照系都是成立的。沿著這條道路，我們就達(dá)到了相對合理的擴(kuò)充。”“普遍的自然規(guī)律是由那些對于一切坐標(biāo)系都有效的方程來表示的。”那么，推廣應(yīng)該從哪里入手呢？首先要解決的問題是什么呢？我們知道，只有當(dāng)系統(tǒng)不受外力或外力為零時才能作為慣性參考系。地球上的物體要受到地球的引力；地球處于太陽系中，要受到銀河系各星體的引力自然界各物體之間普遍存在的引力，說明要把相對論原理推廣到任意參照系，引力是不可回避的問題，首先必須研究引力。問題的決定性突破，是由一個天才的理想實(shí)驗(yàn)取得的。用愛因斯坦1922年回

21、憶創(chuàng)建廣義相對論過程的話說：“有一天，突破口突然找到了。當(dāng)時我正坐在伯爾尼專利局辦公室里，腦子里突然閃現(xiàn)了一個念頭：如果人正在自由下落，他決不會感到他有重量。我吃了一驚，這個簡單的理想實(shí)驗(yàn)給我的印象太深刻了，它把我引向引力理論。我繼續(xù)想下去：下落的人正在做加速運(yùn)動，可是在這個加速參照系中，他有什么感覺？他如何判斷面前所發(fā)生的事情？”這就是被物理學(xué)家稱為“愛因斯坦電梯”的理想實(shí)驗(yàn)。下面我們具體看一下這個理想實(shí)驗(yàn)：愛因斯坦假設(shè)，理想電梯中裝有各種實(shí)驗(yàn)用具，并且有一位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家在里面安心地進(jìn)行各種測量。當(dāng)電梯相對于地球靜止的時候，電梯里的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家將測出電梯里的一切物體都受到一種力。若沒有其他的

22、力與這種力相平衡，這種力就會使物體落向電梯的地板，并且所有物體下落時的加速度是相同的。由此，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家能夠得出結(jié)論：他所在的這個電梯受到外界的引力作用。如果讓電梯本身做自由下落的運(yùn)動，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家將會發(fā)現(xiàn)，電梯里的一切物體都不再受到原來那種力的作用，物體的加速度沒有了，電梯里的一切都不再表現(xiàn)出任何受引力的跡象。蘋果和羽毛皆可以自由地停留在空間，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家可以在電梯底部行走，也可以在電梯頂部或側(cè)壁行走，各種行走所需的力氣完全相同。此時，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家通過觀測任何物體的任何力學(xué)現(xiàn)象都不能獲得任何引力存在的跡象。愛因斯坦進(jìn)一步指出，在理想電梯中，那位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家不僅通過力學(xué)現(xiàn)象得不到引力存在的跡象

23、，而且通過其他任何物理實(shí)驗(yàn)都不能得到引力存在的跡象。這就是說，在這個理想電梯的參照系中，引力被完全消除了。電梯中的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家既不可能通過物理現(xiàn)象來判斷電梯外面是否存在一個地球這樣的引力作用源，也不能測量出自己的電梯是否在做加速運(yùn)動。這就像伽利略設(shè)計的薩爾維阿蒂大船，船里的觀察者無法通過物理現(xiàn)象判斷大船是否運(yùn)動一樣。通過電梯的理想實(shí)驗(yàn)，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了引力的最重要的特性：可以在任何一個局部范圍內(nèi)找到一個參照系，使其中的引力作用被全部消除。引力的這一特性是物理學(xué)中其他力都沒有的。因?yàn)殡姶帕Α⒘Ｗ娱g的強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力，都是不可能用選擇適當(dāng)參照系的方法完全消除的?！皭垡蛩固闺娞荨崩硐雽?shí)驗(yàn)抽象出廣義相對論的一個重要