2018试论理想实验在物理学中的应用

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试论理想实验在物理学中的应用
宇宙包罗万象，事物变化万千，科学家们总是在不断地探索。然而，在科学研究中实际事物及其过程是相当复杂的，因此抓住研究对象的主要因素，就不难发现其中的规律。在物理学中就常常运用理想化方法。理想化方法来源于实践，而又能弥补实践的不足。因此，理想实验在物理研究中的重要性不言而喻。
　　理想实验又叫思想实验或假想实验，是以已有的实验为基础，在思维中把研究对象和实际条件加以理想化和纯化，抽象或塑造出来的一种理想化过程的实验。理想实验是以实践为基础的，它是在已有科学实验的基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，对实际过程做出更深刻的抽象分析，是以一定的逻辑法则为依据的。理想实验不是一种真实的实验，不能用以检验真理，它始终是一种逻辑推理。
　　例如，在爱因斯坦建立狭义相对论时，也曾经做了关于同时性的相对性的一个理想实验，即当东西两道闪电同时下击一条东西方向的铁轨时，对于站在两道闪电正中间的铁轨旁边的一个观察者来说，这两道闪电是同时发生的。但是，对于坐在一列由东向西高速行进的火车中的第二个观察者来说，这两道闪电并不是同时下击的。因为，第二个观察者是在行近西方的闪电而远离东方的闪电，西方的闪电到达他眼里的时间要早一点。因此，在静止的观察者看来是同时发生的闪电，而在运动着的观察者看来却是西方先亮，接着东方再亮。
　　爱因斯坦曾设想：升降机不是自由下落，而是在一个不变的力的作用下垂直向上运动这时，设想有一束光穿过一个侧面窗口水平地射进升降机内，并且在极短时间之后，到达对面的墙上。由于光在空间沿直线传播，但升降机正在向上运动，而在光朝墙照射的时间内，升降机已经改变了位置，因此，光线所射到的点不会与窗口的点恰好相对，而会稍微低一点。也就是说，相对于升降机而言，光线不是沿着直线而是沿着稍微弯曲的曲线行进的。根据光具有质量以及惯性质量和引力质量的等效性，爱因斯坦预言：一束光在引力场中由于引力的作用而弯曲，就如同以光速水平抛出的物体的路线会由于引力的作用而弯曲一样。爱因斯坦由理想实验而得出的光线在引力场中会发生弯曲这一广义相对论效应，为后来的观测结果所证实。
　　小滑块沿光滑斜面滑动的实验是理想实验。当一个球从一个斜面上滚下而又滚上第二个斜面时，球在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面上开始滚下时的高度几乎相等。伽利略断定高度上的这一微小差别是由于摩擦而产生的，如能将摩擦完全消除的话，高度将恰好相等。然后，他推想说，在完全没有摩擦的情况下，不管第二个斜面的倾斜度多么小，球在第二斜面上总要达到相同的高度。最后，如果第二个斜面的倾斜度完全消除了，那么球从第一个斜面上滚下来之后，将以恒定的速度在无限长的平面上永远不停地运动下去。这个实验是无法实现的，因为永远也无法将摩擦完全消除掉。所以，这只是一个理想实验。
　　除此之外，还有水桶实验就是一个理想实验，用以判断哪些运动是相对于绝对空间的绝对运动。牛顿的判断依据是：若水面平坦，则没有绝对运动；若水面呈凹形，则有绝对运动。这就是牛顿相对于绝对看见的绝对运动。牛顿从伽利略的理想实验中达到启发，运用了理想实验抛体运动实验，建立了万有引力定律。
　　人们熟知的不考虑空气阻力作用的自由落体运动，伽利略在研究时设计了落体佯谬实验，实际上，他没有去做这个实验。伽利略提出了等末速度假设，即静止物体不论是沿竖直方向还是沿不同斜面，从同一高度下落，到达末端时具有相同的速度。
　　在热力学的研究中，为了搞清楚热机的效率，提出了一个理想实验：卡诺循环。也就是用两个理想的等温过程和两个理想的绝热过程，完成一个热力学循环。通过这样一个理想的热力学实验循环过程，卡诺得到了热机的最高热效率。这样的循环实验，完全是理想化的实验，任何实际的循环都是不可能做到的。负热力学温度的实验是理想实验，当温度趋于无穷大时，热力学系统的能力应相当于有限的极限以及系统有限数目的能级。
　　收缩实验就是像稀薄的气体和钢铁这样一些性质上差别很大的物质都做同样的收缩，而这样的实验，人们是无法做到的。乌伦贝克和古德斯密根据史特恩盖拉赫实验及光谱线精细结论设想电子自旋实验，每个电子不仅有电荷和质量，而且还有数值为的恒定机械动量矩，称为电子的自旋角量。著名物理学家薛定谔也曾通过理想实验提出了薛定谔猫佯谬实验。
　　由这些例子可以看出，理想实验在物理研究中有着广泛的应用，起着重要的作用。实质上，理想实验是任何时候都不能实现的实验，它是在人们的思想中建立的一个理想过程，但是，理想实验又不能脱离实际的主观臆想。