摘要：物理實驗是物理學理論的基礎，理想實驗在物理學的發展中起到了不可替代的作用，本文通過理想實驗事例，進一步說明理想實驗不僅可以澄清物理學中的錯誤觀念,而且是建立新概念、探索新理論的有效方法。

　　關鍵詞：理想實驗;方法論

　　所謂“理想實驗”，又叫做“假想實驗”、“抽象的實驗”或“思想上的實驗”，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。但是，“理想實驗”并不是脫離實際的主觀臆想，首先，它是以實踐為基礎的。其次，“理想實驗”的推理過程，是以一定的邏輯法則為根據的，而這些邏輯法則，都是從長期的社會實踐中總結出來的，并為實踐所證實了的。

　　1理想實驗能澄清物理學中的錯誤觀念,推動物理學的發展

　　早在公元前4世紀，亞里士多德提出關于“力是維持物體運動的原因”這一錯誤觀念，直到近代物理學之父伽利略痛斥了亞里士多德的錯誤觀點,推出了物理學的新觀念。伽利略借助的就是理想實驗的方法,他從小球沿斜面從高度h的位置靜止滾上另一個斜面中揭示了物體具有慣性的特征。如果斜面是光滑的,小球將上升到原來的高度;如果減小第二個斜面的傾角,隨著傾角越來越小,小球將會滾得越來越遠(運動時間也越長),試想在極限情況下,當傾角變為零時,小球永遠達不到原來的高度,而要沿著水平面以恒定的速度運動下去。伽利略由此得出結論：在理想情況下，如果表面絕對光滑，運動物體受到阻力為零，這時物體將以恒定不變的速度永遠運動下去，即后來牛頓提出的慣性定律——運動第一定律，這也標志著物理學的真正開端[1]。在某種意義上來說,理想實驗澄清了物理學中的錯誤觀念,推動物理學的發展。

　　2.理想實驗是建立新概念的最佳方法

　　理想實驗不像真實實驗那樣依靠人們直接使用儀器,進行實際操作,但也有一定的程序[2]。由著名的“麥克斯韋妖”這一理想實驗引入負熵的概念就是最好的例證。1871年,麥克斯韋在《熱的原理》一書中，設計了一個被稱為“麥克斯韋妖”的“理想實驗”，對該定律提出了質疑，麥克斯韋指出:“在溫度均勻的容器中,單個氣體分子的運動速度是不均勻的，然而大量分子的平均速度卻是均勻的，現在讓我們來假定把這樣一個容器分為兩個部分：A和B，在分界上有一個小孔，使得只有快分子從A跑向B，而慢分子從B跑向A,這樣就在不消耗功的情況下，B的溫度升高,A的溫度降低，而與熱力學第二定律發生了矛盾。”直到布里淵在前人研究的基礎上進一步研究了信息跟熵的關系,認為麥克斯韋的小精靈要完成分子動能有效轉移，就必須獲得分子運動的信息，也就是要看得見、分得出，這就需要進入外界的光線和能量，而光線和能量進入密閉容器后，這會引起熵的增加，增加的熵足以抵消麥克斯韋妖所減小的熵。所以，“麥克斯韋妖是一個非封閉系統”即開放系統。光線和能量進入容器，就是向該容器輸入負熵，從而引入了負熵的概念，對宇宙的熵的無限增大的錯誤理論提出了有力的挑戰。

　　3.理想實驗是探索和創建新理論的有效方法

　　愛因斯坦不僅創建了狹義相對論，而且創建了廣義相對論。在這兩種新理論的創建過程中，愛因斯坦運用了大量的理想實驗作為他這兩種理論的方法論依據，“追光”是愛因斯坦與狹義相對論有關的第一個樸素的理想實驗。他想：“如果我以速度5f0bc13a5b338_html_d6c546c0b6635d23.gif追隨一條光線運動，那么我就應當看到，這樣一條光線就好像一個在空間里振蕩著而停滯不前的電磁場，可是無論依據經驗，還是按照麥克斯韋方程,看來都不會有這樣的事情。”從而使他認識到，伽利略變換和麥克斯韋方程之間的矛盾，想到牛頓力學所隱含的問題。而對同時性的相對性，愛因斯坦則是通過這樣一個理想實驗形象地論證的：東西方同時出現閃電時，站在中間的觀察者認為是同時發生的，而坐在由東向西行駛的火車上，并由他旁邊經過的第二個觀察者則認為不是同時發生的。

　　這是因為第二個觀察者正在趨近西方的閃電而遠離東方的閃電，因此他認為西方的閃電早于東方的閃電。因此靜止的觀察者看來是同時發生的閃電，在運動的觀察者看來卻是有先后之分。若再進一步設想，第二個觀察者坐的火車若是以光速由東向西前進，則他只能看到西方的閃電而不能看到東方的閃電，因為東方的閃電根本追不上他。愛因斯坦在這里指出了時間的相對性——相對論的精髓之一。

　　同時，愛因斯坦又通過理想的時鐘和理想的剛性量桿兩個實驗進一步指出：“我們不能給予同時性這個概念以任何絕對的意義，兩個事件，從一個靜系看來是同時的，而從另一個相對于這個坐標系運動著的坐標系看來，它們就不能再被認為是同時的事件了。”在這里，愛因斯坦對“同時性”定義了新的概念，提出了長度和時間的相對性原理。在相對論的創建中，愛因斯坦運用理想實驗作為新理論的論證工具和基礎。除前面提到的兩個理想實驗外，比如還有借助兩個流質物體的轉動和兩只時鐘在旋轉盤上的理想實驗等，找到了之所以要擴充相對論公設的緣由，提出了廣義協變的公設要求。這樣構筑出了廣義相對論的框架，為廣義相對論的建立鋪平了道路。可以說，愛因斯坦在創建相對論的過程中，巧妙地利用理想實驗指出相對論的某些原理，理想實驗的方法是愛因斯坦最具特色的重要科學研究方法，使它在相對論的創建過程中占有獨特的地位。相對論的創建史，就是理想實驗一部絕妙的運用史。

　　物理論文投稿刊物：《現代物理知識》雜志(雙月刊)隸屬于中國物理學會高能物理學會分會，中國科學院高能物理研究所主辦，是我國物理學科的一份中、高級科普性期刊。該刊以介紹科學技術知識、推廣科技成果、提高全民族科須技術水平為主要任務。陶冶讀者的科學情趣，促進中外交流。

　　4.結束語

　　綜上所述，理想實驗用于物理學的研究之中,且成功地推動物理學向前發展，在科學研究中的作用是顯著的。當然，同時需要注意的是，理想實驗所提供關于現實原形的信息只具有相似的性質，過分夸大理想實驗的作用，將其結果無條件外推也是不對的。通過理想化實驗方法所得到的任何結論，還須盡可能地通過現實的科學實驗或觀察去作近似的驗證，從而證明和加深認識其正確性。

　　參考文獻:

　　[1]盧學偉.漫談理想實驗在物理學發展中的作用[J].現代物理知識,10(2):40～42.

　　[2]張青獅.實驗在物理學的產生、發展和完善中的作用[J].技術物理教學學報,2003,11(4):12～29.

　　作者：張甲