試論理想實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)中的應(yīng)用

試論理想實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)中的應(yīng)用試論理想實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)中的應(yīng)用宇宙包羅萬象，事物變化萬千，科學(xué)家們總是在不斷地探究。然而，在科學(xué)研究中實(shí)際事物及其過程是相當(dāng)復(fù)雜的，因此抓住研究對象的主要因素，就不難發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律。在物理學(xué)中就常常運(yùn)用理想化方法。理想化方法來源于理論，而又能彌補(bǔ)理論的缺乏。因此，理想實(shí)驗(yàn)在物理研究中的重要性不言而喻。理想實(shí)驗(yàn)又叫思想實(shí)驗(yàn)或假想實(shí)驗(yàn)，是以已有的實(shí)驗(yàn)為根底，在思維中把研究對象和實(shí)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(shí)驗(yàn)。理想實(shí)驗(yàn)是以理論為根底的，它是在已有科學(xué)實(shí)驗(yàn)的根底上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，對實(shí)際過程做出更深入的抽象分析，是以一定的邏輯法那么為根據(jù)的。理想實(shí)驗(yàn)不是一種真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，不能用以檢驗(yàn)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(jīng)做了關(guān)于同時性的相對性的一個理想實(shí)驗(yàn)，即當(dāng)東西兩道閃電同時下?lián)粢粭l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(fā)生的。但是，對于坐在一列由東向西高速行進(jìn)的火車中的第二個觀察者來說，這兩道閃電并不是同時下?lián)舻?。因?yàn)?，第二個觀察者是在行近西方的閃電而遠(yuǎn)離東方的閃電，西方的閃電到達(dá)他眼里的時間要早一點(diǎn)。因此，在靜止的觀察者看來是同時發(fā)生的閃電，而在運(yùn)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(shè)想：升降機(jī)不是自由下落，而是在一個不變的力的作用下垂直向上運(yùn)動這時，設(shè)想有一束光穿過一個側(cè)面窗口程度地射進(jìn)升降機(jī)內(nèi)，并且在極短時間之后，到達(dá)對面的墻上。由于光在空間沿直線傳播，但升降機(jī)正在向上運(yùn)動，而在光朝墻照射的時間內(nèi)，升降機(jī)已經(jīng)改變了位置，因此，光線所射到的點(diǎn)不會與窗口的點(diǎn)恰好相對，而會略微低一點(diǎn)。也就是說，相對于升降機(jī)而言，光線不是沿著直線而是沿著略微彎曲的曲線行進(jìn)的。根據(jù)光具有質(zhì)量以及慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量的等效性，愛因斯坦預(yù)言：一束光在引力場中由于引力的作用而彎曲，就如同以光速程度拋出的物體的道路會由于引力本文由論文聯(lián)盟.Ll.搜集整理的作用而彎曲一樣。愛因斯坦由理想實(shí)驗(yàn)而得出的光線在引力場中會發(fā)生彎曲這一廣義相對論效應(yīng)，為后來的觀測結(jié)果所證實(shí)。小滑塊沿光滑斜面滑動的實(shí)驗(yàn)是理想實(shí)驗(yàn)。當(dāng)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到達(dá)的高度同它在第一個斜面上開場滾下時的高度幾乎相等。伽利略斷定高度上的這一微小差異是由于摩擦而產(chǎn)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到達(dá)一樣的高度。最后，假如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(yuǎn)不停地運(yùn)動下去。這個實(shí)驗(yàn)是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)橛肋h(yuǎn)也無法將摩擦完全消除掉。所以，這只是一個理想實(shí)驗(yàn)。除此之外，還有水桶實(shí)驗(yàn)就是一個理想實(shí)驗(yàn)，用以判斷哪些運(yùn)動是相對于絕對空間的絕對運(yùn)動。牛頓的判斷根據(jù)是：假設(shè)水面平坦，那么沒有絕對運(yùn)動；假設(shè)水面呈凹形，那么有絕對運(yùn)動。這就是牛頓相對于絕對看見的絕對運(yùn)動。牛頓從伽利略的理想實(shí)驗(yàn)中到達(dá)啟發(fā)，運(yùn)用了理想實(shí)驗(yàn)拋體運(yùn)動實(shí)驗(yàn)，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(yùn)動，伽利略在研究時設(shè)計(jì)了落體佯謬實(shí)驗(yàn)，實(shí)際上，他沒有去做這個實(shí)驗(yàn)。伽利略提出了等末速度假設(shè)，即靜止物體不管是沿豎直方向還是沿不同斜面，從同一高度下落，到達(dá)末端時具有一樣的速度。在熱力學(xué)的研究中，為了搞清楚熱機(jī)的效率，提出了一個理想實(shí)驗(yàn)：卡諾循環(huán)。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(xué)循環(huán)。通過這樣一個理想的熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)循環(huán)過程，卡諾得到了熱機(jī)的最高熱效率。這樣的循環(huán)實(shí)驗(yàn)，完全是理想化的實(shí)驗(yàn)，任何實(shí)際的循環(huán)都是不可能做到的。負(fù)熱力學(xué)溫度的實(shí)驗(yàn)是理想實(shí)驗(yàn)，當(dāng)溫度趨于無窮大時，熱力學(xué)系統(tǒng)的才能應(yīng)相當(dāng)于有限的極限以及系統(tǒng)有限數(shù)目的能級。收縮實(shí)驗(yàn)就是像稀薄的氣體和鋼鐵這樣一些性質(zhì)上差異很大的物質(zhì)都做同樣的收縮，而這樣的實(shí)驗(yàn)，人們是無法做到的。烏倫貝克和古德斯密根據(jù)史特恩蓋拉赫實(shí)驗(yàn)及光譜線精細(xì)結(jié)論設(shè)想電子自旋實(shí)驗(yàn)，每個電子不僅有電荷和質(zhì)量，而且還有數(shù)值為的恒定機(jī)械動量矩，稱為電子的自旋角量。著名物理學(xué)家薛定諤也曾通過理想實(shí)驗(yàn)提出了薛定諤貓佯謬實(shí)驗(yàn)。由這