浅议思想实验的美.ppt

浅议思想实验的美,思想实验及其在物理发展中的作用,定义,思想实验：使用想象力进行的实验，所做的实验都是在现实中无法做到（或现实未做到）的实验。思想实验是一种在人的头脑中进行的理性思维活动，这种思维活动按照实验的格式展开，所以也称为“实验”。,相关评价,理论的真理在你的心智中，不在你 的眼睛里。爱因斯坦 思想实验的基本方法和物理实验相 同。恩斯特马赫,思想实验的发展前景,在科学日益发展的今天，我们的认识活动越来越远离日常的直观经验和直觉，科学研究活动所需的仪器设备日益纯化、理想化，物化实验有时无法满足科学发展的需要，运用思想实验进行科学研究就成为一种必然。,世界上著名的思想实验,1、自由落体定律 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。,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。”,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。,2、相对论,相对论的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无关。相对论认为，光速在所有惯性参考系中不变，它是物体运动的最大速度。由于相对论效应，运动物体的长度会变短，运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题，运动速度都是很低的（与光速相比），看不出相对论效应。,爱因斯坦与相对论,爱因斯坦的相对论把时间与空间联系起来了。认为物理的现实世界是各个事件组成的，每个事件由四个数来描述。这四个数就是它的时空坐标t和x、y、z，它们构成一个四维的连续空间，通常称为闵可夫斯基四维空间。在相对论中，用四维方式来考察物理的现实世界是很自然的。,质能方程,爱因斯坦发现，在相对论中质量与能量密不可分，两个守恒定律结合为一个定律。他给出了一个著名的质量-能量公式：，其中c为光速。于是质量可以看作是它的能量的量度。计算表明，微小的质量蕴涵着巨大的能量。,3、热平衡与辐射,热物体A（比如说灼热的铁球）即使在一段距离也通过辐射加热较冷的物体B（温度计），例如在众所周知的带有共轴凹面镜的实验中。如果我们和皮克泰（Pictet）一道用装有冷混合物的金属盒代替A，那么B将冷却下来。,热平衡与辐射,这是一个有形实验，它引起思想实验。存在冷辐射吗？由于A和B相互交换，第二个案例不仅仅与第一个案例相同吗？在两个案例中，较热的物体加热较冷的物体。设A比B热，接着具有相同的温度，最终A比B冷。在相等的情况中，哪一个物体辐射热到另一个物体呢？在那一点存在着突然的转换吗？两个物体独立地相互辐射和吸收，这是普雷沃斯特的动力学的热平衡。同一温度的不同物体按照莱斯利（Leslie）和朗福德（Rumford）的实验辐射不同的热量：因为动力学平衡像它实际进行的那样继续着，辐射多两倍的物体必定吸收多两倍。,综上所述,所有普遍的科学概念和定律，诸如光线概念、屈光学定律、玻意耳（Boyle）定律等等，都是通过抽象得到的。这就是给予它们以普遍的非特殊的形式的东西，它使得有可能借助这些概念和定律的综合组合甚至重构任何复杂的事实，从而理解这些事实。这样的理想化发生在卡诺的工作中：绝对的绝缘体，接触物体的绝对等温，可逆过程；在基尔霍夫（Kirchhoff）的理想黑体的概念中等等，情况也是如此。,思想实验的价值,思想实验的价值从某种意义上说，是指思想实验对社会的发展产生了如何的影响。科学家进行思想实验的目的，是为了揭示事物内部的规律性。思想实验由于自身特有的优势，对探索自然的力量不可估量；再由于其思维、实验的双重特征，成为科学认识发生、形成和深化的一条便捷有效的路径，从而推动了科学的发展。,正如爱因斯坦所说，“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个数学上的或实验上的技能而已，而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧问题，却需要有创造性想象力，而且标志着科学的真正进步”。这便是思想实验的真正魅力之所在。,总结,