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1、引言 在大多数人的观念里，物理学是一门实证科学，它以观察、实验为基础，与思辨的哲学是毫不相干的。 然而，这完全是一种误解。在科学史上，物理学的每一次重大进步，都会带来哲学的巨大变革，如伴随着牛顿推理力学的巨大成功而产生的机械论哲学就是较好的实例;同样，哲学对物理学的研究可以起到指导作用，即作为构建物理学大厦时必不可少的脚手架，正如M.w·瓦托夫斯基在其《科学思想的概念基础》一文中所说:形而上学可以看作科学的一部分，即看作科学假说和理论在其中得到阐述的最一般的概念框架;形而上学是一种观念的来源，它可以对科学思想的不同部分进行系统化的指导;形而上学的某些假定可以成为科学中的调节性、启发性观念，它们形成科学家的基本世界观及其思维方式的深刻结构，从而也就对科学家起着调节或指导作用。 这段论述是对哲学与科学关系的精辟见解，对它的深刻领会有助于物理教师们理解伽俐略、牛顿、爱因斯坦、玻尔等物理学大师和他们所取得的成果。 正因为哲学与科学是相互依存的，所以在我们的实验态度中，既要重视利用现有技术可以实现的实验对科学发现的作用，也要认识到那些只具有原则上的可检验性，而在技术上尚无法实现的思想实验的价值。思想实验同样是知识的来源，在中学理科教学中理应拥有一席之地。 2、大师们的实验观 物理学史上的三位大师:伽俐略、牛顿、爱因斯坦对实验是有着不同认识的。伽俐略重视实验对理论的检验作用，但由于外部环境的恶劣(哲学对科学的桎梏和沉重的经济负担)、实验条件的简陋及自然哲学思辨传统的影响，他同样重视思辨作用，并采用思辨与实验相结合的方法获得了许多科学发现，以至于现代物理学界普遍怀疑伽俐略曾做过比萨斜塔实验和斜面实验。牛顿出生于伽俐略逝世那年，他在《自然哲学的数学原理》第三编中提出了四条推理法则，也就是他的力学认识模式的方法论原则，其中第四条为归纳法原则。可见，牛顿更关注的是能获得数据的技术上可行的实验，通过归纳，将物理现象用数学表述出来，这与牛顿试图改造物理学，将其从定性上的、不科学的状态中拯救出来，建立定量的、科学的物理学的初衷是一致的，然而，在他的思维中，毕竟给思想实验留有一席之地。二十世纪的物理学大师爱因斯坦则认为:“适合于科学幼年时代的以归纳为主的方法，正在让位给探索性的演绎法”。由此，不难理解虽然爱因斯坦对实验工作也有浓厚的兴趣，但他更感兴趣的是那些远离直接实验的思想实验。他的研究成果(除了爱因斯坦-德·哈斯效应)也几乎完全是靠他的大脑创造出来的。在爱因斯坦时代有一种叫逻辑实证主义的科学哲学，认为经验是知识的唯一来源.否认思辨的作用.爱因斯坦毫不客气地将其称作“最坏的哲学”。 3、思想实验实例 伽俐略是第一位思想实验大师，他在反驳亚里士多德落体速度与所通过介质密度成反比的论断中有这样一个分析:使一个木球分别在水中和空气中下落(我们知道空气和水的密度相差10倍)，如果按亚里士多德的论断，先假定木球在空气中下落速度为20，那么木球在水中下落速度为2，但事实上木球在水中根本不下落。如果能找到一种在水中以速度2下落的物体，那么它在空气中的下落速度则应为20，但这物体既然在水中下落，它就一定比木头重，因此(按亚里士多德的理论)它在空气中的下落速度应超过20，这样矛盾再度出现。从而否定了亚里士多德关于落体运动的这一论断。 在进一步的研究中，他思考“不同重量的物体分别置于阻力不同的介质中，会发生什么事情?，伽俐略由实验得出:不同物体之间下落的速度差，与介质阻力大小成正比。在这一基础上他进一步思考:假如介质阻力消失，落体将会怎样运动呢?由逻辑推理，速度差与介质阻力大小成正比，现在假定介质阻力为零(在真空中下落)，那么速度差亦为零，于是伽俐略从思想实验中得出:在真空中，一切物体将以等速下落。这是一个了不起的思想成就，在当时无法获得真空的限制下，伽俐略通过实验与逻辑推理相结合的方法，得出了正确的结论。 牛顿虽然较多地受到本国实验科学鼻祖弗兰西斯·培根(1561一1626)的影响，但是，在他对万有引力和时间、空间的研究中还是不得不采用了思想实验这一思辨的研究方式。他曾设想在一座高山上放一门大炮，炮筒与地面平行，如果大炮发射能力极强，它所射出的炮弹就会不断地围绕地球旋转，恰如月球围绕地球旋转那样。可见，三百多年以来，牛顿就已经在头脑中为人类发射了人造卫星。 他为了论证自己绝对时间与绝对空间的概念，又设计了“水桶实验”，一个水桶内盛有一定的水，使桶旋转，最初桶内的水还没有随着桶一起旋转，因而水面平静，但水相对于桶有运动，水的静止既然不是相对于桶，就只能是相对于绝对空间的;后来，水随着桶一起旋转，水面形成凹面，这时，水相对于桶静止，但水面的变化表明水在运动，这一运动也只能是相对于绝对空间的。在牛顿看来，这一思想实验雄辨地说明了绝对空间的存在。 但是，马赫找到了这一思想实验的致命之处在于根本无须杜撰绝对空间这一参照物，因为自然界中水的参照物多得数不清。 爱因斯坦从斯宾诺莎、马赫那儿汲取精神财富，反对牛顿的绝对时空观，进行了“同时性的相对性”和“自由下落的升降机”两个思想实验，分别成为建立狭义相对论和广义相对论的关键。 爱因斯坦作为最后一位确定论大师，反对量子力学的几率解释，在1930年10月第六届索尔威会议上，爱因斯坦主动出击，用一个被人们称为《爱因斯坦光子箱》的理想实验为例，试图从能量和时间这一对正则变量的测量上来批驳测不准原理。为了提高测量时间和能量精确度，爱因斯坦想出一个办法。他考虑一个具有理想反射壁的箱子，里面充满辐射。箱子上有一块门，用箱内的时钟控制，快门启闭的时间间隔可以任意短，每次只释放一个光子，能量可以通过重量的变化来测量。只要测出光子释放前后整个箱子重量的变化，就可以根据相对论能转化公式E=mc2计算出来，箱内少了一个光子，能量相应地减少，能量减少值可以精确测定。这样，时间间隔和能量减少值都可以同时精确测定，于是证明了测不准原理不能成立。 然而，玻尔经过一个不眠之夜的紧张思考，终于找到了缺口，他发现爱因斯坦没有注意到广义相对论的红移效应，从而反驳了爱因斯坦地发难。 除了三位大师精彩的“思想实验”之外，法国工程师卡诺的“卡诺循环”、卢瑟福的“原子结构核式模型”、海森堡的“电子束单缝衍射实验”、薛定愕的“薛定愕猫”等也在物理学史上写下了浓墨重彩的一笔。 4、结语 在科学研究中，通过再多的科学实验都不能完全证实一个理论，这是归纳法的本质所决定的，但是一个否定例证就足以证伪一个理论。在以上列举的思想实验中，有的已被否定，但不能因此就贬低它的作用，那些被证伪的思想实验难道不是新理论的“助产士”吗? 在当代物理学研究中，各家理论众说纷纭，却又无法找到什么判决性实验，科学进程难道因此就要停止吗?并且，在对微观客体所做的实验中，实验仪器会对微观客体产生严重干扰。正如20世纪70的年代，美国德克萨斯大学的米斯拉和苏达山发现，在连续测量的条件下，原子核就不会发生衰变。1989年在美国的国家标准和技术研究所，当研究人员用激光扫描核材料时，它的衰变减缓了，在连续扫描时，核的衰变停止了。 正因为如此，我们有理由相信思想实验会在科学探索中再度发挥重大作用，物理学的下一次巨大进步，是否会由新的“思想实验大师”所带来? (责任编辑：admin) |