理想实验在物理研究中的作用

所谓“理想实验”，又叫做“假想实验”“抽象的实验”或“思想上的实验”，它是人们在思想中塑造的理想过程，是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法.
　　
　　“理想实验”虽然也叫做“实验”，但它同前面所说的真实的科学实验是有原则区别的.真实的科学实验是一种实践的活动，而“理想实验”则是一种思维的活动；前者是可以将设计通过物化过程而实现的实验，后者则是由人们在抽象思维中设想出来而实际上无法做到的“实验”.
　　
　　但是，“理想实验”并不是脱离实际的主观臆想.首先，“理想实验”是以实践为基础的.所谓的“理想实验”就是在真实的科学实验的基础上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，对实际过程作出更深入一层的抽象分析.其次，“理想实验”的推理过程，是以一定的逻辑法则为根据的.而这些逻辑法则，都是从长期的社会实践中总结出来的，并为实践所证实了的.
　　
　　在自然科学的理论研究中，“理想实验”具有重要的作用.作为一种抽象思维的方法，“思想实验”可以使人们对实际的科学实验有更深刻的理解，可以进一步揭示出客观现象和过程之间内在的逻辑联系，并由此得出重要的结论.例如，作为经典力学基础的惯性定律，就是“理想实验”的一个重要结论.这个结论是不能直接从实验中得出的.伽利略曾注意到，当一个球从一个斜面上滚下而又滚上第二个斜面时，球在第二个斜面上所达到的高度同它在第一个斜面上开始滚下时的高度几乎相等.伽利略断定高度上的这一微小差别是由于摩擦而产生的，如能将摩擦完全消除的话，高度将恰好相等.然后，他推想说，在完全没有摩擦的情况下，不管第二个斜面的倾斜度多么小，球在第二个斜面上总要达到相同的高度.最后，如果第二个斜面的倾斜度完全消除了，那么球从第一个斜面上滚下来之后，将以恒定的速度在无限长的平面上永远不停地运动下去，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.所以，这只是一个“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一千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.爱因斯坦在建立狭义相对论时，曾经作了关于同时性的相对性的一个“理想实验”.即：当两道闪电同时下击一条东西方向的铁路轨道时，对于站在两道闪电正中间的铁道旁边的一个观察者来说，这两道闪电并不是同时发生的.但是，对于乘坐一列由东向西以高速行进的火车正好经过第一个观察者对面的第二个观察者来说，这两道闪电并不是同时下击的.因为，第二个观察者是在行近西方的闪电而远离东方的闪电，西方的闪电到达他的眼里的时间要早一点.因此，在静止的观察者看来是同时发生的闪电，在运动中的观察者看来却是西方先亮，接着东方再亮.同时性的相对性这一概念的提出，是狭义相对论建立过程中的一个关键.爱因斯坦在建立广义相对论时，作了自由下落的升降机的“理想实验”.他设想：在自由下落的升降机里，一个人从口袋中拿出一块手帕和一块表，让它们从手上掉下来，如果没有任何空气阻力或摩擦力，那么在他自己看来，这两个物体就停在他松开手的地方.因为，在他的坐标系中，引力场已经被屏蔽或排除了.但是，在升降机外面的观察者看来，则发现这两个物体以同样的加速度向地面落下.这个情况正揭露了引力质量和惯性质量的相等.爱因斯坦又设想了另一种情况的“理想实验”.即：升降机不是自由下落，而是在一个不变的力的作用下垂直向上运动（即强化了升降机内部的引力场）.同时设想，有一束光穿过升降机一个侧面的窗口水平地射进升降机内，并在极短的时间之后射到对面的墙上.爱因斯坦根据光具有质量以及惯性质量和引力质量等效的事实，预言一束光在引力场中会由于引力的作用而弯曲，就如同以光速水平抛出的物体的路线会由于引力的作用而弯曲一样.爱因斯坦预言的光线在引力场中会弯曲这一广义相对论效应，已为后来的观测结果所证实.
　　
　　量子论的建立也同“理想实验”密切相关.在量子力学中，海森堡用来推导测不准关系的所谓电子束的单缝衍射实验，也是一种“理想实验”.因为，中等速度的电子的波长约为10-8cm左右，这跟原子之间的距离属于同一个数量级.因而，只要让电子束穿过原子之间的空隙，就会发生衍射.但是，要想制成能够使电子发生衍射的单缝，首先就必须做到把单缝周围的所有原子之间的空隙都给堵死.实际上这是做不到的.在实验中，人们只能做到电子的原子晶格衍射实验，而无法实现电子的单缝衍射实验.
　　
　　“理想实验”在自然科学的理论研究中有着重要的作用.但是，“理想实验”的方法也有其一定的局限性.“理想实验”只是一种逻辑推理的思维过程，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.相反，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.