理想實驗

“理想實驗”雖然也叫做“實驗”，但它同前面所説的真實的科學實驗是有原則區別的，真實的科學實驗是一種實踐的活動，而“理想實驗”則是一種思維的活動；前者是可以將設計通過物化過程而實現的實驗，後者則是由人們在抽象思維中設想出來而實際上無法做到的“實驗”．

但是，“理想實驗”並不是脱離實際的主觀臆想，首先，“理想實驗”是以實踐為基礎的．所謂的“理想實驗”就是在真實的科學實驗的基礎上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，對實際過程作出更深入一層的抽象分析．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，併為實踐所證實了的．

在自然科學的理論研究中，“理想實驗”具有重要的作用．作為一種抽象思維的方法，“理想實驗”可以使人們對實際的科學實驗有更深刻的理解，可以進一步揭示出客觀現象和過程之間內在的邏輯聯繫，並由此得出重要的結論．

例如，作為經典力學基礎的慣性定律，就是“理想實驗”的一個重要結論．這個結論是不能直接從實驗中得出的．伽俐略曾注意到，當一個球從一個斜面上滾下而又滾上第二個斜面時，球在第二個斜面上所達到的高度同它在第一個斜面上開始滾下時的高度幾乎相等．伽俐略斷定高度上的這一微小差別是由於摩擦而產生的，如能將摩擦完全消除的話，高度將恰好相等．然後，他推想説，在完全沒有摩擦的情況下，不管第二個斜面的傾斜度多麼小，球在第二個斜面上總要達到相同的高度．最後，如果第二個斜面的傾斜度完全消除了，那麼球從第一個斜面上滾下來之後，將以恆定的速度在無限長的平面上永遠不停地運動下去．這個實驗是無法實現的，因為永遠也無法將摩擦完全消除掉．所以，這只是一個“理想實驗”．但是，伽俐略由此而得到的結論，卻打破了自亞里士多德以來1000多年間關於受力運動的物體，當外力停止作用時便歸於靜止的陳舊觀念，為近代力學的建立奠定了基礎．後來，這個結論被牛頓總結為運動第一定律，即慣性定律．

愛因斯坦在建立狹義相對論時，曾經作了關於同時性的相對性的一個“理想實驗”.即當兩道閃電同時下擊一條東西方向的鐵路軌道時，對於站在兩道閃電正中間的鐵道旁邊的一個觀察者來説，這兩道閃電是同時發生的．但是，對於乘坐一列由東向西以高速行進的火車正好經過第一個觀察者對面的第二個觀察者來説，這兩道閃電並不是同時下擊的．因為，第二個觀察者是在行近西方的閃電而遠離東方的閃電，西方的閃電到達他的眼裏的時間要早一點．因此，在靜止的觀察者看來是同時發生的閃電，在運動中的觀察者看來卻是西方先亮，接着東方再亮．同時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關鍵．

愛因斯坦在建立廣義相對論時，作了自由下落的升降機的“理想實驗”．他設想：在自由下落的升降機裏，一個人從口袋中拿出一塊手帕和一塊表，讓它們從手上掉下來，如果沒有任何空氣阻力或摩擦力，那麼在他自己看來，這兩個物體就停在他鬆開手的地方．因為，在他的座標系中，引力場已經被屏蔽或排除了．但是，在升降機外面的觀察者看來，則發現這兩個物體以同樣的加速度向地面落下．這個情況正揭露了引力質量和慣性質量的相等．愛因斯坦又設想了另一種情況的“理想實驗”．即：升降機不是自由下落，而是在一個不變的力的作用下垂直向上運動（即強化了升降機內部的引力場）．同時設想，有一束光穿過升降機一個側面的窗口水平地射進升降機內，並在極短的時間之後射到對面的牆上．愛因斯坦根據光具有質量以及慣性質量和引力質量等效的事實，預言一束光在引力場中會由於引力的作用而彎曲，就如同以光速水平拋出的物體的路線會由於引力的作用而彎曲一樣．愛因斯坦預言的光線在引力場中會彎曲這一廣義相對論效應，已為後來的觀測結果所證實．

量子論的建立也同“理想實驗”密切相關．在量子力學中，海森堡用來推導測不準關係的所謂電子束的單縫衍射實驗，也是一種“理想實驗”．因為，中等速度的電子的波長約為10-8釐米左右，這跟原子之間的距離屬於同一個數量級．因而，只要讓電子束穿過原子之間的空隙，就會發生衍射．但是，要想製成能夠使電子發生衍射的單縫，首先就必須做到把單縫周圍的所有原子之間的空隙都給堵死．實際上這是做不到的．在實驗中，人們只能做到電子的原子晶格衍射實驗，而無法實現電子的單縫衍射實驗．

“理想實驗”在自然科學的理論研究中有着重要的作用．但是，“理想實驗”的方法也有其一定的侷限性．“理想實驗”只是一種邏輯推理的思維過程，它的作用只限於邏輯上的證明與反駁，而不能用來作為檢驗認識正確與否的標準．相反，由“理想實驗”所得出的任何推論，都必須由觀察或實驗的結果來檢驗。