思想实验及其在科学发展中的作用

 


摘 要：思想实验是有别于真实实验的一种理性思维活动。在近代科学发展的过程中，思想实验以其思维的独特性、深刻的创造力而大放异彩。伽利略、马赫、爱因斯坦等大科学家对此曾有专文进行探讨和研究。深入研究思想实验及其在科学发展中的作用，对于培养创新人才、促进科学发展具有积极意义。 

关键词：思想实验、理性思维、创造力 

一、思想实验的一般考察 
伽利略是近代科学的先驱者，他对物理学做出了多方面的贡献，其中他发现的落体定律和惯性定律，为近代物理学提供了两块坚固的基石。他的成功，得益于率先采用了科学的物理实验，更得益于他独创的物理实验与思想实验相结合的科学方法。伽利略的出色工作，表明了他既是一位物理学的大师。也是一位进行思想实验的哲人。众所周知，在相当长的一段时间里，人们对于力和运动物体等物理现象、物理规律的认识，一直受到亚里士多德学说的束缚。亚里士多德认为：物体运动速度的有无和大小，是由它是否受力及力的大小直接决定的。地面上轻重不同的物体下落速度不同：重物下落较快，轻物下落较慢。对此也曾有人反对过他的错误说法，但都因为没有确切的实验和理论上的论证，所以没有被人重视。第一个成功地打破亚里士多德的错误权威的正是伽利略。伽利略巧妙地运用思想实验否定了这一统治欧洲近两千年的错误理论：物体下落的速度和重量成正比。他在《关于两门新科学的对话》中写道：“我十分怀疑亚里士多德曾用实验检验过，当两个石头，一个重量是另一个的10倍，从同一高度。如100库比特高下落时，其速度的差别会达到这样的程度。以致重物着地时，后者下落还不超过10库比特。”伽利略紧紧抓住这一疑点。设计了思想实验来进行分析和论证。他指出：如果亚里士多德的论断成立的话，即重的物体比轻的物体下落得快。那么，当两个绑在一起下落时，由于快的受慢的阻碍而减慢，慢的受快的驱使而加快。其结果绑在一起的物体下落的速度一定介于原来两个物体的速度之间，即小于原来重物下落的速度。但是，两个物体绑在一起就成了一个复合体，它比原来的重物体还要重。按亚里士多德的论断复合体下落的速度要大于原来的重物体下落的速度。这就和上面的结论相矛盾。由此可知重的物体下落不会比轻的物体下落得快，二者下落的速度应该是相等的。正是这一思想实验。坚定了伽利略进行落体实验的信心和决心。必须指出：对于伽利略在比萨斜塔进行的落体实验，在物理学史上尚有争论，这主要是因为年代长久，资料不全。但是对于伽利略在其著作中论证的上述思想实验则是举世公认的。在否定了亚里士多德的落体定律之后，伽利略进一步对自由落体运动进行了定量研究。他根据对自由落体运动的定性观察结果：速度越来越快的基础上。假设自由落体运动是一种匀加速运动。在1590-1592年期间进行了大量的落体实验。但在当时的测试条件下，不可能立即用实验来证实这一假设，伽利略便用思想实验与真实实验相结合的办法解决了这个难题。他借助于数学，求出了从静止开始的匀加速运动的距离s与时间t的关系(如图)。 图中AB表示时间，各横线表示各时刻的速度，可见三角形ABE的面积等于矩形ABFG的面积，FB为末速度的一半，即平均速度。由此可得出。匀加速运动通过的距离与所用的时间的平方成正比，即 S／t2 。这里不包括任何速率。只要直接测定S和t就行了。但是，物体的自身下落在当时无法精确测定。伽利略想到要用斜面实验来代替落体实验。这样既可冲淡重力的作用，便于测量，又有冲淡空气阻力的效果。伽利略在一木板上刻出一条直槽，贴上羊皮纸使之平滑，让小铜球由静止开始沿直槽下落，并用水滴钟计时。他使斜面成不同的倾角，并使铜球滚动不同的距离，经过多次反复的试验测定，得到如下的结果：(1)当斜面角固定时。球滚动过的距离s与所用的时间t的平方之比为一常数，即S1／t12 = S2／t22 = S3／t32(2)改变斜面的倾角，S／t2 的值随之改变。但小球通过的距离与时间平方成正比关系不变，变化的仅是比例系数。伽利略用思想实验把这个结果推向极端----当倾角为90°，即斜面变成垂直面时。即物体作自由下落时这个论断也将成立。他由此得出结论：自由落体运动是匀加速运动。实验发现：由于物体重量的影响，在向下倾斜的平面上的物体的运动有加速的原因。而在向上倾斜的平面上物体的运动有减速的原因。当摩擦力小到可以忽略的程度，从一个斜面滚下的小球，将沿第二个斜面上升到同样的高度。这与斜面的倾斜度无关。如图所示 
在第一个斜面的A处释放一个小球，小球将沿着第一斜面AB下落，并沿第二个斜面BC上升，最后会达到同样高的C处。如果减小第二个斜面的倾斜度，则小球所经达的路程会增加，并还会滑到相同的高度。随着第2个斜面倾斜度不断减少。小球运动过的路程就会越来越长。伽利略再一次运用思想实验。推想：在没有摩擦力的情况下。如果第二斜面的倾斜度减小到零，即变为一个水平的平面时，小球就再也达不到它原来的高度。那么这个小球将以不变的速度沿水平面永远运动下去。他由此得出结论：“当一个物体在一个水平面上运动，没有碰到任何阻碍时，它的运动就将是匀速的并将无限地继续进行下去，假若平面是在空间中无限延伸的话”。这就是伽利略关于惯性的思想。纠正了亚里士多德关于外力是物体产生并维持运动的原因的说法。伽利略对自己所独创的物理实验与思想实验相结合的科学方法感到由衷的高兴。我们可以说，这是第一次为新的方法打开了大门，这种带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里，会博得许多人的重视。此后，随着科技的发展和认识活动的深入，思想实验在近代科学中得到了日益广泛、自觉的运用。出现了马赫、爱因斯坦等善于使用思想实验的物理大师。近代科学的各个分支中，产生了一些著名的思想实验。例如，力学中，马赫对“牛顿旋转水桶”的思想实验，否定了牛顿的绝对时空和绝对运动[1]。热力学中，有卡诺循环有关麦克斯韦的思想实验。在电磁学中，麦克斯韦在建立电磁场理论时，曾用思想实验把奥斯特—罗兰实验中围绕变化电场或电流周围的磁场的闭合力线缩为一个点。把法拉第实验中围绕变化电场的磁场的闭合力线缩为一个点，从而迈出了关键的一步。在量子力学中，有证明粒子波性的单电子衍射实验，证明测不准关系的理想显微镜实验，电子束单缝衍射实验，能量势阱等思想实验