試論理想實驗在物理學中的應(yīng)用

試論理想實驗在物理學中的應(yīng)用試論理想實驗在物理學中的應(yīng)用宇宙包羅萬象，事物變化萬千，科學家們總是在不斷地探究。然而，在科學研究中實際事物及其過程是相當復(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。在物理學中就常常運用理想化方法。理想化方法來源于理論，而又能彌補理論的缺乏。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，是以已有的實驗為根底，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。理想實驗是以理論為根底的，它是在已有科學實驗的根底上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，對實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(jīng)做了關(guān)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?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(fā)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(shè)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(shè)想有一束光穿過一個側(cè)面窗口程度地射進升降機內(nèi)，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(nèi)，升降機已經(jīng)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，而會略微低一點。也就是說，相對于升降機而言，光線不是沿著直線而是沿著略微彎曲的曲線行進的。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。愛因斯坦由理想實驗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。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到達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不停地運動下去。這個實驗是無法實現(xiàn)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。牛頓的判斷根據(jù)是：假設(shè)水面平坦，那么沒有絕對運動；假設(shè)水面呈凹形，那么有絕對運動。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到達啟發(fā)，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(shè)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(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，到達末端時具有一樣的速度。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(huán)。也就是用兩個理想的等溫過程和兩個理想的絕熱過程，完成一個熱力學循環(huán)。通過這樣一個理想的熱力學實驗循環(huán)過程，卡諾得到了熱機的最高熱效率。這樣的循環(huán)實驗，完全是理想化的實驗，任何實際的循環(huán)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(tǒng)的才能應(yīng)相當于有限的極限以及系統(tǒng)有限數(shù)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(zhì)上差異很大的物質(zhì)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(jù)史特恩蓋拉赫實驗及光譜線精細結(jié)論設(shè)想電子自旋實驗，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