理想实验在物理学中的作用

物理学是一门理论科学，更是一门精确的实验科学。物理学中的许多规律来自于实验，又需要大量实验来验证，最终才能发展为指导实践的依据。而理想实验又是一种什么样的实验呢？它与一般概念上的实验有何区别？在物理学中到底处于什么样的地位呢？本文的目的就是在分析物理学发展中的经典实验后总结出对自然科学发展的影响及其在物理学中的重要作用。理想实验虽然也叫实验，但它同一般意义上的真实科学实验是有原则区别的，理想实验是科学工作者源于自身的经验而又超出自身经验的一种高级思维活动，由于这种思维方法是按照实践活动的特点进行的，因此被称为理想实验。通过回顾物理学发展中多位科学大师利用理想实验的方法，在不同领域做出的杰出工作，我们可以领略到大师们思想方法的独特魅力。

1、伽利略与惯性定律。作为经典力学基础的惯性定律，是理想实验的一个重要结论。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。只是一个理想实验。但是，伽利略由此而得到的结论，却打破了自亚里士多德以来1000多年间关于受力运动的物体，当外力停止作用时便归于静止的陈旧观念，为近代力学的建立奠定了基础。后来，这个结论被牛顿总结为运动第一定律，即惯性定律。

2、牛顿与万有引力定律。牛顿在《自然哲学的数学原理》中，描述了从高山顶上平抛一个铅球的理想实验。在重力作用下的平抛运动，随发射速度的增加，距抛射点越来越远。当发射速度足够大时，铅球将可能绕地球运动而不再落向地面。这就揭示出使月球保持在轨道上的力与使地面上物体做平抛运动的重力的性质是一致的，为万有引力定律的提出迈出了关键的一步。

3、"麦克斯韦妖"与热力学第二定律。为了批驳"热寂论"，调和热力学第二定律和进化论之间的矛盾。麦克斯韦设想了著名的"麦克斯韦妖"的实验。一个无影无形的精灵（麦克斯韦妖）处在一个盒子中的一道闸门边，它允许速度快的微粒通过闸门到达盒子的一边，而允许速度慢的微粒通过闸门到达盒子的另一边。一段时间后，盒子两边产生温差。这个理想实验对后来控制论和系统科学的研究产生很大的启发作用。"麦克斯韦妖"是一种热力学定律证明不可能的永动机，但它带给科学家们的思考，又进一步发展了自组织理论和耗散结构理论等。

4、爱因斯坦与相对论和量子理论。爱因斯坦光速不变原理的最初想法起源于他的一个理想实验-"追光实验"。如果以速度C（真空中的光速）追随一条光线运动，光线就好象一个在空间中振荡着而停滞不前的电磁场，与麦克斯韦方程不符，与直觉经验也不符；而如果认为观察者看见的是一条以一定速度进行的光波，则违反速度合成法则。

"理想实验"是一种源于现实而又高于或超越现实的创造性思维过程，是科学工作者在科学研究过程中为克服科学技术条件、客观事物本身复杂性的限制，运用创造性思维，通过设想、推导、类比、论证等辩证逻辑分析而采取的科学的研究、分析方法.在科学研究中具有重要的方法论意义：（1）"理想实验"可以把实际事物当作理想形态来处理，把复杂的实际过程加以简化，舍去次要因素，突出主要因素，把握必然联系，以创造性思维方式揭示对象的运动规律及其本质.（2）它能够有效地超越现有科学条件（科学仪器设备）和研究环境（如微观、宇观世界）的限制，以特殊思维的形式，将研究对象抽象成超越现实的理想状态，从而开辟发现自然规律的新途径.（3）"理想实验"便于发挥人们的思维能动作用和创造性，提出新颖的科学命题，有助于揭示研究的终极目标.大数学家拉普拉斯说过"认识一位天才的研究方法，对于科学的进步......并不比发现本身更少用处.科学研究的方法经常是极富兴趣的部分。

随着现代科学的迅速发展，"理想实验"越来越成为重要的研究方法之一这是因为，现代科学已经发展到理论科学阶段，出现大分化又大综合的趋势，人类的认识正向宇观、宏观、微观、渺观等各个领域迅速扩展，认识活动日益远离日常经验，深人到感官不能直接感知的领域，事物的现象和本质的关系越来越复杂隐蔽，科学研究的理论化趋势日益增强，研究所需的仪器设备也日益精细庞杂.这一切使得理论思维的地位更加突出了，"理想实验"方法也变得愈加重要。

理想实验的方法也有其一定的局限性，它的作用只限于逻辑上的证明与反驳，而不能用来作为检验认识正确与否的标准。由理想实验所得出的任何推论，都必须由观察或实验的结果来检验。但理想实验在物理学发展中仍然有积极的深远的意义，在科技条件不足，实验观察无法达到的情况下，理想实验能够给我们展现出一些崭新的科学成果。

总之，理想实验作为一种抽象思维方法，其精髓在于它是物理思想、数学演绎与一般性实验的巧妙结合，是连接抽象的理论逻辑和具体经验知识的枢纽。但理想实验的作用只限于逻辑上的证明与反驳，而不能用来作为检验正确与否的标准。