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(jí)：12級(jí)物理三班 學(xué)號(hào)：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(gè)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(duì)象和實(shí)驗(yàn)手段三者組成。物理實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，就是實(shí)驗(yàn)者通過(guò)自己有目的活動(dòng)，借助實(shí)驗(yàn)手段，觀察和研究實(shí)驗(yàn)對(duì)象,演繹客觀變化的過(guò)程。理想試驗(yàn)是一種科學(xué)的

2、研究方法，對(duì)物理學(xué)的發(fā)展，對(duì)新理論的建立，對(duì)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(guò)程及這一過(guò)程的結(jié)論。理想實(shí)驗(yàn)是人們?cè)谝哉J(rèn)識(shí)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(duì)象加以理想化和純化,抽象或塑造出來(lái)的理想化過(guò)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(shí)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(wèn)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(wèn)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(dòng)性,對(duì)研究的物理?xiàng)l件和對(duì)象加以理想化,完全排除

3、次要因素和無(wú)關(guān)因素干擾,使研究對(duì)象的主要特性及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律充分暴露出來(lái),抓住主要矛盾,發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)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(duì)經(jīng)典物理學(xué)的建立,還是對(duì)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?cè)谒枷胫兴茉斓睦硐脒^(guò)程，是一種邏輯推理的思維過(guò)程和理論研究的重要方法是一種邏輯推理的思維過(guò)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(guò)思維中塑造理想過(guò)程

4、，運(yùn)用邏輯推理的思維過(guò)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(dòng)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(guò)程中產(chǎn)生的,又對(duì)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(lái)的、經(jīng)典物理學(xué)家做物理實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究物理問(wèn)題,得出經(jīng)典物理

5、學(xué)的科學(xué)結(jié)論。其間有一個(gè)重要問(wèn)題,就是難以排除實(shí)驗(yàn)誤差對(duì)物理結(jié)論的影響。從誤差的產(chǎn)生來(lái)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(duì)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(gè)過(guò)程來(lái)看,它可以看作是一個(gè)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(ài)因斯坦和英費(fèi)爾德在物理學(xué)的進(jìn)化論中評(píng)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(kāi)端。 理想實(shí)驗(yàn)在經(jīng)典物理的建立中,功不可沒(méi)。就拿為經(jīng)典力學(xué)作奠基的慣性定律來(lái)說(shuō),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(jì):把兩個(gè)斜面對(duì)接起來(lái)，以靜止的小球沿一個(gè)斜面滾下來(lái),小球滾上另一個(gè)斜面。如果沒(méi)有摩擦,小球?qū)⑸仙皆瓉?lái)的高度。減少第二個(gè)斜面的傾斜角,小球在這個(gè)斜面角仍然要達(dá)到原來(lái)的高度,但是要通過(guò)更長(zhǎng)的距離。繼續(xù)減少第二個(gè)斜面的傾角,最后使它成為水平面,小球不可能達(dá)到原來(lái)的高度,就沿著水平面以恒定的速度持續(xù)運(yùn)動(dòng)下去。通過(guò)這個(gè)“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(lái)的“必須有力作用在物體上,物體才能運(yùn)動(dòng),沒(méi)有力的作用,物體就要停

7、下來(lái)”的錯(cuò)誤理論。而且結(jié)束維持人們兩千多年的對(duì)力與物體運(yùn)動(dòng)關(guān)系的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí),使人的認(rèn)識(shí)走向正確的軌道。4.12理想實(shí)驗(yàn)對(duì)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(lái)的,研究的對(duì)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(wèn)題,在研究過(guò)程中需要克服較為復(fù)雜的次要因素和無(wú)關(guān)因素,用實(shí)驗(yàn)法研究的局限性越來(lái)越大,理想實(shí)驗(yàn)法研究的優(yōu)越性越來(lái)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(wèn)題所需要的一切條件。4.1.3理想實(shí)驗(yàn)對(duì)將來(lái)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(lái)說(shuō),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(wú)預(yù)見(jiàn)到這個(gè)層級(jí)鏈條有沒(méi)有一個(gè)終端。從宏觀領(lǐng)域來(lái)說(shuō),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(huì)化和國(guó)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(wàn)美元的費(fèi)用,幾十個(gè)人在幾年時(shí)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(kāi)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(gè)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(jué)經(jīng)驗(yàn)的特證無(wú)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(lái)愈無(wú)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(guò)理想實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)在的物理學(xué)問(wèn)題,充分發(fā)揮人的主觀能動(dòng)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(dòng)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(guò)事物表面現(xiàn)象，揭示其本質(zhì)的過(guò)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(shí)要強(qiáng)調(diào)幾個(gè)問(wèn)題,牛頓設(shè)想的空間是理想化的,高山頂上拋鉛球的那個(gè)人是理想化的“大力神“軌道隨速度改變是逐漸變化的過(guò)程。當(dāng)速度達(dá)到某一定值時(shí)，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(shí)，發(fā)生了質(zhì)的飛躍。這一理想實(shí)驗(yàn)雖然在牛頓時(shí)代無(wú)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(duì)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(wú)必要，理想實(shí)驗(yàn)則可解決這些問(wèn)題。例如，幾何光學(xué)中關(guān)于物體運(yùn)動(dòng)速度與像的移動(dòng)速度關(guān)系問(wèn)題，用數(shù)學(xué)運(yùn)算較繁，且不易發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)規(guī)律。例如，一個(gè)物體以速度，勻速地在凸透鏡的主軸上運(yùn)動(dòng)，則它所成的實(shí)像的移動(dòng)速度與物體運(yùn)動(dòng)速度之間有何關(guān)系。如果我們?cè)O(shè)想一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，一個(gè)人從無(wú)限遠(yuǎn)處沿主軸向凸透鏡勻速走來(lái)，開(kāi)始成像在焦點(diǎn)附近是個(gè)“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(dòng)的頻率一樣。所以在成縮小實(shí)像時(shí)，像移動(dòng)的速度始終小于人運(yùn)動(dòng)的速度。當(dāng)成放大的實(shí)像時(shí)，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(shí)像移動(dòng)的速度大于人運(yùn)動(dòng)的速度，由

12、此可知實(shí)像移動(dòng)速度和人運(yùn)動(dòng)速度滿足為放大率。巧妙設(shè)計(jì)理想實(shí)驗(yàn)還可呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中較難說(shuō)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(shí)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(jì)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(dòng)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(jì)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(dòng)畫片，這對(duì)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(jiǎn)單而歸于深?yuàn)W理想實(shí)驗(yàn)

13、可以做到出于簡(jiǎn)單而歸于深?yuàn)W，往往可以使某些難于理解的知識(shí)變得易于理解。它不僅可以幫助我們澄清物理學(xué)中的錯(cuò)誤觀念，還可以幫助我們加深對(duì)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(lái)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(gè)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(jià)值體現(xiàn)之一就是通過(guò)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(guò)實(shí)踐和教育來(lái)培養(yǎng)思維能力的問(wèn)題,而由于物理思維的特殊性其最佳培養(yǎng)途徑是通過(guò)物理教學(xué)來(lái)培養(yǎng)。理想實(shí)驗(yàn)作為重要的研究方法。在平時(shí)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(shuō)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(dòng)畫來(lái)實(shí)現(xiàn)。便在程序設(shè)計(jì)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(kāi)現(xiàn)代化的教學(xué)手段，90年代蓬勃發(fā)展起來(lái)的多媒體技術(shù)，是將文字、聲音、圖像、靜態(tài)及動(dòng)態(tài)圖像與計(jì)算機(jī)集成在一起的技術(shù)。美國(guó)休斯頓大學(xué)和美國(guó)國(guó)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(wàn)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(duì)加速度的影響。從而達(dá)到對(duì)物理概念和物理定律的深刻理解。利用計(jì)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(huì)更加生動(dòng)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(guò)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(jiàn)。同時(shí)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(wèn)題，不利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)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(lái)教育技術(shù)的一個(gè)重要課題。5理想實(shí)驗(yàn)舉例：5.1愛(ài)因斯坦與理想實(shí)驗(yàn)無(wú)論是1905年建立狹義相對(duì)論，還是1915年建立廣義相對(duì)論，愛(ài)因斯坦在其物理學(xué)研究的過(guò)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(ài)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(duì)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(gè)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(duì)時(shí)空觀的束縛，無(wú)法從根本上取得理論突破。1905年，年輕的愛(ài)因斯坦終于找到了新理論的突破口，即發(fā)現(xiàn)相對(duì)性原理。愛(ài)因斯坦是用一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)來(lái)闡述他的發(fā)現(xiàn)的。這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，就是被后人稱道的“愛(ài)因斯坦列車”：當(dāng)兩道閃電同時(shí)下?lián)粢粭l東西方向的鐵軌時(shí)，對(duì)于坐在兩道閃電正中間的鐵軌旁的第一個(gè)觀察者來(lái)說(shuō)，兩道閃電是同時(shí)發(fā)生的；但是對(duì)于坐在由西向東行駛的列車上正好經(jīng)過(guò)第一個(gè)觀察者的第二

18、個(gè)觀察者來(lái)說(shuō)，兩道閃電并不是同時(shí)下?lián)舻模驗(yàn)榈诙€(gè)觀察者正在以一個(gè)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(gè)靜止的觀察者看來(lái)是同時(shí)發(fā)生的閃電，運(yùn)動(dòng)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(gè)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(gè)觀察者看來(lái)是同時(shí)發(fā)生的兩件事，而在火車上的第二個(gè)觀察者看來(lái)卻并不是同時(shí)發(fā)生的。顯然，同時(shí)性只能是相對(duì)的。事實(shí)上，每一個(gè)坐標(biāo)都有它本身的特殊時(shí)，脫離參照系而孤立地陳述某一事件的時(shí)間是沒(méi)有意

19、義的?！皭?ài)因斯坦列車”理想實(shí)驗(yàn)形象而生動(dòng)地揭示了同時(shí)的相對(duì)性，從根本上否定了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀。相對(duì)性原理是愛(ài)因斯坦建立狹義相對(duì)論的基本出發(fā)點(diǎn)。5.1.2“愛(ài)因斯坦電梯”理想實(shí)驗(yàn)狹義相對(duì)論建立以后，愛(ài)因斯坦并沒(méi)有止步。他認(rèn)為狹義相對(duì)論還有許多問(wèn)題沒(méi)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(chǎng)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(duì)論，為什么一用到引力場(chǎng)中就遇到矛盾？愛(ài)因斯坦感到極大的困惑。但他堅(jiān)信自然界的和諧與統(tǒng)一，認(rèn)為要么對(duì)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(ài)因斯坦考慮應(yīng)該把相對(duì)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(lái)寫到：“物理學(xué)的定律必須具有這樣的性質(zhì)，它們對(duì)于以無(wú)論哪種方式運(yùn)動(dòng)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(duì)合理的擴(kuò)充。”“普遍的自然規(guī)律是由那些對(duì)于一切坐標(biāo)系都有效的方程來(lái)表示的。”那么，推廣應(yīng)該從哪里入手呢？首先要解決的問(wèn)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(shí)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(yáng)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(shuō)明要把相對(duì)論原理推廣到任意參照系，引力是不可回避的問(wèn)題，首先必須研究引力。問(wèn)題的決定性突破，是由一個(gè)天才的理想實(shí)驗(yàn)取得的。用愛(ài)因斯坦1922年回

21、憶創(chuàng)建廣義相對(duì)論過(guò)程的話說(shuō)：“有一天，突破口突然找到了。當(dāng)時(shí)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(gè)念頭：如果人正在自由下落，他決不會(huì)感到他有重量。我吃了一驚，這個(gè)簡(jiǎn)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(dòng)，可是在這個(gè)加速參照系中，他有什么感覺(jué)？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(ài)因斯坦電梯”的理想實(shí)驗(yàn)。下面我們具體看一下這個(gè)理想實(shí)驗(yàn)：愛(ài)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(cè)量。當(dāng)電梯相對(duì)于地球靜止的時(shí)候，電梯里的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家將測(cè)出電梯里的一切物體都受到一種力。若沒(méi)有其他的

22、力與這種力相平衡，這種力就會(huì)使物體落向電梯的地板，并且所有物體下落時(shí)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(gè)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(dòng)，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家將會(huì)發(fā)現(xiàn)，電梯里的一切物體都不再受到原來(lái)那種力的作用，物體的加速度沒(méi)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(shí)，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家通過(guò)觀測(cè)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(ài)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(guò)力學(xué)現(xiàn)象得不到引力存在的跡象

23、，而且通過(guò)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(shuō)，在這個(gè)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(guò)物理現(xiàn)象來(lái)判斷電梯外面是否存在一個(gè)地球這樣的引力作用源，也不能測(cè)量出自己的電梯是否在做加速運(yùn)動(dòng)。這就像伽利略設(shè)計(jì)的薩爾維阿蒂大船，船里的觀察者無(wú)法通過(guò)物理現(xiàn)象判斷大船是否運(yùn)動(dòng)一樣。通過(guò)電梯的理想實(shí)驗(yàn)，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)了引力的最重要的特性：可以在任何一個(gè)局部范圍內(nèi)找到一個(gè)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(méi)有的。因?yàn)殡姶帕?、粒子間的強(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?ài)因斯坦電梯”理想實(shí)驗(yàn)抽象出廣義相對(duì)論的一個(gè)重要