理想模型和理想實(shí)驗(yàn)

[摘要]建立物理模型，從某種角度對(duì)物體進(jìn)行研究時(shí)，抓住主要問(wèn)題，忽略對(duì)研究問(wèn)題沒(méi)有直接關(guān)系的屬性和作用。理想實(shí)驗(yàn)是“思想上的實(shí)驗(yàn)”是一種思維活動(dòng)，是在抽象思維活動(dòng)中設(shè)想出來(lái)而實(shí)際上無(wú)法做到的實(shí)驗(yàn)。

[關(guān)鍵詞]物理模型 實(shí)驗(yàn)探究 理想實(shí)驗(yàn)

理想模型是為了便于研究而建立的一種高度抽象的理想客體，實(shí)際中是不存在的。實(shí)際物體是具有多種屬性的，如固體具有一定的形狀、體積和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有一定的質(zhì)量等。但是，當(dāng)我們針對(duì)某種目的，從某種角度對(duì)某一物體進(jìn)行研究時(shí)，有許多對(duì)研究問(wèn)題沒(méi)有直接關(guān)系的屬性和作用卻可以忽略不計(jì)。例如，從力學(xué)角度研究引力作用下物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，只需考慮質(zhì)量這一最重要的屬性、其他因素均可略去。對(duì)于具有一定質(zhì)量的物體，我們假設(shè)其質(zhì)量集中在物體的質(zhì)量中心，便抽象出質(zhì)點(diǎn)模型。質(zhì)點(diǎn)是力學(xué)中的一個(gè)基本概念，只要我們所考慮的運(yùn)動(dòng)僅涉及物體的位置移動(dòng)，并且所涉及的空間尺度比物體自身的尺度大得多時(shí)，都可以用質(zhì)點(diǎn)模型來(lái)代表所研究的客體。在上述條件下，不但微觀(guān)世界中的電子、質(zhì)子、中子等基本粒子可以看作質(zhì)點(diǎn)，地球上的各種生物和其他物體可用質(zhì)點(diǎn)模型代表，就是恒星、行星等各種天體也可以看作質(zhì)點(diǎn)。

但是，當(dāng)我們要研究的客體運(yùn)動(dòng)，需要涉及它自身的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)模型不適用了，于是又抽象出剛體模型。真實(shí)的物體在受到力的作用時(shí)，多少會(huì)發(fā)生形狀的變化，當(dāng)這種變化可以忽略不計(jì)時(shí)，便可以近似地看作是剛體。所以，剛體也是一種簡(jiǎn)化了的理想模型。只要我們所研究的運(yùn)動(dòng)僅涉及平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，而不涉及物體的形變時(shí)，剛體便是很有效的力學(xué)模型。

作為科學(xué)抽象的結(jié)果，理想模型也是一種科學(xué)概念，廣泛應(yīng)用在各門(mén)科學(xué)中。例如，數(shù)學(xué)上所研究的不占有任何空間的“點(diǎn)”沒(méi)有粗細(xì)的“線(xiàn)”，沒(méi)有厚度的“面”，物理學(xué)中所研究的“理想的擺”忽略分子本身體積和分子間作用力的“理想氣體”，不考慮其大小的“點(diǎn)電荷”等，在化學(xué)和生物學(xué)中也有類(lèi)似的理想模型。這些理想模型都是以客觀(guān)存在為原型的，作為抽象思維的結(jié)果，它們也是對(duì)客觀(guān)事物的一種反映。在自然科學(xué)的研究中，理想模型的建立，具有十分重要的意義，由于客觀(guān)事物具有質(zhì)的多樣性，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律往往是非常復(fù)雜的，不可能一下把它們認(rèn)識(shí)清。引入理想模型的概念，可以使問(wèn)題處理大為簡(jiǎn)化從而便于人們?nèi)フJ(rèn)識(shí)和掌握它們。

所謂“理想實(shí)驗(yàn)”又叫“假想實(shí)驗(yàn)”、“抽象的實(shí)驗(yàn)”或“思想上的實(shí)驗(yàn)”它是人們?cè)谒枷胫兴茉斓睦硐脒^(guò)程，是一種邏輯推理的思維過(guò)程和理論研究的重要方法。

“理想實(shí)驗(yàn)”雖然也叫“實(shí)驗(yàn)”，但它同真實(shí)以科學(xué)實(shí)驗(yàn)是有原則區(qū)別的。真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)是一種實(shí)踐活動(dòng)，而“理想實(shí)驗(yàn)”則是一種思維的活動(dòng)；前者是可以將設(shè)計(jì)通過(guò)物化過(guò)程而實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，后者則是由人們?cè)诔橄笏季S中設(shè)想出來(lái)而實(shí)際上無(wú)法做到的“實(shí)驗(yàn)”。

但是，“理想實(shí)驗(yàn)”并不是脫離實(shí)際的主觀(guān)臆想。首先，“理想實(shí)驗(yàn)”是以實(shí)踐為基礎(chǔ)的，所謂的“理想實(shí)驗(yàn)”就是在真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，對(duì)實(shí)際過(guò)程作出更深入一層的抽象分析。其次，“理想實(shí)驗(yàn)”的推理過(guò)程，是以一定的邏輯法則為根據(jù)的，而這些邏輯法則，都是從長(zhǎng)期的社會(huì)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的，并為實(shí)踐所證實(shí)事的。

在自然科學(xué)的理論研究中，“理想實(shí)驗(yàn)”具有重要的作用。可以使人們進(jìn)一步提示出客觀(guān)現(xiàn)象和過(guò)程之間內(nèi)的邏輯聯(lián)系，并由此得出重要的結(jié)論。例如，作為經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)的慣性定律，就是“理想實(shí)驗(yàn)”的一個(gè)重要結(jié)論。這個(gè)結(jié)論是不能直接從實(shí)驗(yàn)中得出的。伽利略曾注意到，當(dāng)一個(gè)球從一個(gè)斜面上滾下而又滾上第二個(gè)斜面時(shí)，球在第二個(gè)斜面上所達(dá)到的高度同它在第一個(gè)斜面上開(kāi)始滾下時(shí)的高度幾乎相等。伽利略斷定高度上的這一微小差別是由于摩擦而產(chǎn)生的，如能將摩擦完全消除的話(huà)，高度將恰好相等。他推想說(shuō)，在完全沒(méi)有摩擦的情況下，不管第二個(gè)斜面的傾斜多么小，球在第二個(gè)斜面上總要達(dá)到相同的高度。最后，如果第二個(gè)斜面的傾斜度完全消除了，那么球從第一個(gè)斜面上滾下來(lái)之后，將以恒定的速度在無(wú)限長(zhǎng)的平面上永遠(yuǎn)不停地運(yùn)動(dòng)下去，這個(gè)實(shí)驗(yàn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)橛肋h(yuǎn)也無(wú)法將摩擦力完全消除掉。所以，這只是一個(gè)“理想實(shí)驗(yàn)”，但是，伽利略由此而得到的結(jié)果，打破了自亞里士多德以來(lái)二千多年間的陳舊觀(guān)念。為近代力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。后來(lái)，這個(gè)結(jié)論被牛頓總結(jié)為運(yùn)動(dòng)第一定律，即慣性定律。

“理想實(shí)驗(yàn)”在自然科學(xué)的理論研究中有著重要的作用。但是“理想實(shí)驗(yàn)”的方法也有其一定的局限性。

參考文獻(xiàn)：[1]自然辯證法（初稿）.人民教育出版社，1979.385-389.

（作者單位：陜西寶雞市金臺(tái)高級(jí)中學(xué)）