於平

【摘要】在物理學(xué)中，理想實(shí)驗(yàn)主要分為兩類，一類是通過理想實(shí)驗(yàn)直接為建立物理理論提供依據(jù)，另外一類則是通過理想實(shí)驗(yàn)的推翻原有錯(cuò)誤的理論或者習(xí)慣思維。

【關(guān)鍵詞】物理；理想實(shí)驗(yàn)

物理學(xué)是一門研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的自然科學(xué)，它旨在揭示事物的內(nèi)在規(guī)律、萬物的道理。從經(jīng)典物理學(xué)到現(xiàn)代物理學(xué)，物理學(xué)知識不斷地推動(dòng)著人類科技的發(fā)展，從各個(gè)方面深刻的影響著人類的生活。而其實(shí)質(zhì)就是以實(shí)驗(yàn)和觀察為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。

實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究的基本方法之一，其中有一種實(shí)驗(yàn)叫做理想實(shí)驗(yàn)。理想實(shí)驗(yàn)雖然也叫做實(shí)驗(yàn)，但是它和真是的自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)有著本質(zhì)的區(qū)別。它是建立在現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)上，通過邏輯推導(dǎo)得出的結(jié)論。可以說它是存在于人腦中的實(shí)驗(yàn)，是真正的人腦思維的結(jié)晶。在物理學(xué)中，理想實(shí)驗(yàn)主要分為兩類，一類是通過理想實(shí)驗(yàn)直接為建立物理理論提供依據(jù)，另外一類則是通過理想實(shí)驗(yàn)的推翻原有錯(cuò)誤的理論或者習(xí)慣思維。

對于第一類情況，其代表就是為了證明經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)的慣性定律也就是牛頓第一定律，它其實(shí)就是一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)的重要結(jié)論。在牛頓第一定律中，它指出了物體的一種性質(zhì)，叫做慣性。慣性可以使一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止。我們仔細(xì)的觀察它的描述可以發(fā)現(xiàn)，一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)不可能發(fā)生的，因?yàn)樵谄溥\(yùn)動(dòng)當(dāng)中，任何物體都做不到不受外力干擾，一直勻速直線運(yùn)動(dòng)下去。那么這樣的結(jié)論是怎么得到的呢？其實(shí)它的理論基礎(chǔ)是源于伽利略做的一個(gè)叫做斜面實(shí)驗(yàn)的理想實(shí)驗(yàn)。伽利略認(rèn)為在忽略了摩擦力和空氣阻力的情況下，如下圖甲所示，小球從靜止開始沿斜面滾下來，將滾上另一個(gè)斜面并且上升到原來的高度。他推論出如果我們像下圖乙中那樣改變第二個(gè)斜面的傾角，小球依然會(huì)上升到同樣高度，但是小球滾過的路程更長。如果像下圖丙中那樣繼續(xù)改變第二個(gè)斜面的傾角直至水平，小球?qū)⒃僖策_(dá)不到原來的高度，而沿著水平面以恒定的速度一直這么運(yùn)動(dòng)下去。

圖：伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)

伽利略的這個(gè)斜面實(shí)驗(yàn)，是典型的理想實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗雎粤四Σ亮涂諝庾枇Φ淖饔茫@些阻力其實(shí)都是真是存在的，并且在實(shí)際試驗(yàn)中也不能忽略。但就是這個(gè)只能在腦子里做出的理想實(shí)驗(yàn)為牛頓第一定律的得出奠定了基礎(chǔ)。因?yàn)樗虝?huì)了我們理想實(shí)驗(yàn)可以以可靠的事實(shí)為基礎(chǔ)，經(jīng)過抽象思維，抓住主要因素，忽略次要因素，從而更深刻地揭示了自然科學(xué)規(guī)律。

除了伽利略，物理學(xué)史上有很多物理學(xué)家都是理想實(shí)驗(yàn)的大師，像愛因斯坦，他在建立狹義相對論時(shí)，曾經(jīng)作了關(guān)于同時(shí)性的相對性的一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)。即當(dāng)兩道閃電同時(shí)下?lián)粢粭l東西方向的鐵路軌道時(shí)，對于站在兩道閃電正中間的鐵道旁邊的一個(gè)觀察者來說，這兩道閃電是同時(shí)發(fā)生的。但是，對于乘坐一列由東向西以高速行進(jìn)的火車正好經(jīng)過第一個(gè)觀察者對面的第二個(gè)觀察者來說，這兩道閃電并不是同時(shí)下?lián)舻?。因?yàn)?，第二個(gè)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)他的眼里的時(shí)間要早一點(diǎn)。因此，在靜止的觀察者看來是同時(shí)發(fā)生的閃電，在運(yùn)動(dòng)中的觀察者看來卻是西方先亮，接著東方再亮。同時(shí)性的相對性這一概念的提出，是狹義相對論建立過程中的一個(gè)關(guān)鍵。

對于第二類情況，通過理想實(shí)驗(yàn)的推翻原有錯(cuò)誤的理論或者習(xí)慣思維。這在物理學(xué)上經(jīng)常遇到。比如古希臘哲學(xué)家亞里斯多德認(rèn)為物體的下落速度和重量成正比，物體越重，下落的速度越快。但是在伽利略在晚年出版的《關(guān)于兩門新科學(xué)的對話》一書中，詳細(xì)介紹了一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)。根據(jù)當(dāng)時(shí)教的亞里斯多德物理學(xué)，每個(gè)物體在每種介質(zhì)中都有一個(gè)自然下落速度，在同一種介質(zhì)中，物體的下落速度和它的重量成正比，物體越重，下落的速度越快。伽利略據(jù)此設(shè)想，有一重一輕兩個(gè)球，重球的下落速度將比輕球快。再設(shè)想把這兩個(gè)球綁在一起，速度慢的輕球會(huì)拖慢速度快的重球，因此它們一起下落的速度應(yīng)介于它們各自下落的速度之間。但是兩球合在一起的重量大于重球，它們一起下落的速度又應(yīng)該比它們各自下落的速度都大。這樣就出現(xiàn)了自相矛盾，因此亞里斯多德的落體運(yùn)動(dòng)法則是不能成立的。伽利略就這樣通過一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，推翻了亞里斯多德的這個(gè)統(tǒng)治了人類思想近兩千年，當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是不變真理的落體運(yùn)動(dòng)法則。

總之，理想實(shí)驗(yàn)作為一種特殊的實(shí)驗(yàn)形式，對自然科學(xué)的研究有著重要作用。對于剛剛學(xué)習(xí)物理學(xué)的學(xué)生來說，它是一種抽象的方法，學(xué)習(xí)這種方法不但有助于我們理解物理，也幫助我們發(fā)散思維，通過理想實(shí)驗(yàn)找到解決各種實(shí)際問題的方法。