极端思维——物理学家的重要创新思维

物理学家在物理学上有了重大发现。他们不仅需要探索的勇气、不畏艰难的精神和科学方法的正确运用，还需要创造性思维。极端思维是物理学家经常使用的一种重要的创新思维。顾名思义，极限思维是一种将研究问题推向思维极限状态的思维方法。本文对物理学家在物理研究中运用极端思维的几个主要方面进行了初步探讨。1.用极端思维来简化和净化研究对象是复杂的，各种因素交织在一起，使得人们很难找到它的规律。物理学家在物理研究中经常使用极端思维。1665年，牛顿对万有引力定律有了一个成熟的想法，但他没能发表这一成果。主要原因是他没有将地球和月球视为粒子。1685年，牛顿将地球和月球理想化了。他把地球和月球视为没有形状、没有大小的粒子，所有的质量都集中在它们各自的中心，并给出了数学证明(证明一个由重力物质组成的球会吸引它外面的物体，就好像所有的质量都集中在它的中心)。由于研究对象的简化，原来复杂的数学运算变得简单易行。计算结果表明，月球轨道运动的向心加速度与地面物体的重力加速度之比正好等于地球半径的平方和月球中心到地球中心距离的平方之比，从而对万有引力定律有了科学的认识。在这里，牛顿对地球和月球的理想化处理(把它们的体积推到零的极端状态)使用了极端思维。例如，从奥斯特的实验中，我们看到磁场在变化的电场周围闭合。从法拉第的实验中，我们看到电场在变化的磁场周围是封闭的。那么，如何从奥斯特的实验和法拉第的实验中推导出麦克斯韦方程呢？例如，法拉第实验告诉我们，如果通过闭合线圈的磁通量发生变化，就会产生感应电流。然而，如果把产生电流的所有可能性都考虑在内来研究它们的特殊效应，那么一个极其复杂的理论肯定会被引出来。我们能简化这个问题吗？爱因斯坦用极端思维来简化这个过程。他想象着闭合的线圈会逐渐收缩，最终变成一个非常小的线圈，它只会围绕空间中的某一点。这样，形状和大小之间就没有关系了。在极端情况下，闭合线圈收缩到一点点，线圈的大小和形状自然会从我们的考虑中消失。所以我们得到了磁场和电场在任何时间和任何空间点变化的联系规律。奥斯特实验也用类似的方法处理(磁感应线的圆被简化为一个点)。在现实世界中，黑色物体吸收更多的辐射，反射更少。物理学家用极端思维来对待它，并使它成为一个被称为绝对黑体的理想物体。绝对黑体只吸收但不反射热辐射。例如，刚体、理想流体和点电荷都是用极端思维获得的结果。2.在物理研究中，由于实验条件的限制，物理定律有时不能直接获得。然而，物理学家通常先研究物体运动的一般情况，然后通过合理的推断把它推到极端，从而得出相关的物理定律。例如，当伽利略研究落体的运动规律时，因为*落体的运动太快了。没有像快速照相机这样的现代设备，他不可能仔细研究它。因此，他决定“稀释重力”，让球在斜面上滚动。斜面越陡，球滚得越快。在垂直平面的极限情况下，球将沿着平面*下落。伽利略认为球在斜面上的运动规律是*落体的极限情况。在这里，他用极端的思维将实验结果推向极端。思想实验是物理研究的重要方法。它超越了物理形式实验，使实验条件和过程在思维中以理想化的方式出现。因此，它经常导致重大的科学发现。在意识形态实验中，物理学家经常使用极端思维来发现物理定律。伽利略注意到，在实际的坠落实验中，轻物体确实落后于重物体，但这是由空气阻力造成的。那么，他如何确保所有物体在真空中下落的速度一样快？他做了以下思考实验:他做了三个大小相同的球，分别是铅、金和木头，然后让这三个球落在水银、水和空气中。在水星上，只有金球落下。在水中，金球和铅球下落，金球下落的速度比铅球快。当三个球都落在空中时，金球的下落速度与铅球相同，但木球的下落速度稍慢。可以看出，当不同重量的物体落在介质中时，它们的速度差随着介质密度的降低而减小。所以他做了一个进一步的推论:如果介质很薄，差异很小，不能被检测到。这样，就得出了物体在真空中下落的重要结论。他在《两种新科学》中写道:“有鉴于此，我认为如果人们完全消除了空气的阻力，那么所有物体都会以同样快的速度下落。”显然，伽利略在这里使用了极端思维。此外，伽利略还在他的思想实验中使用了极端思维，这导致了惯性定律的发现。牛顿在探索万有引力问题的思维过程中，首先想到的是重物(如石头)的*下落。然后他想到了大炮发射石块的问题。他假设在一座非常高的山顶上有一门大炮，它向水平方向发射石弹。当炮弹在重力作用下沿抛物线落到地面时，炮弹的速度越高，着地点就越远。最后，他采用了极端思维。如果炮弹的速度足够大，它们可能会进入太空而不接触地球，就像月球围绕地球旋转一样。因此，牛顿的思想是从下落物体到投掷物体，最后把它们推到天体。可以看出，当研究对象的某些因素在思维中被推动时，由于被推动的因素仍处于数量变化中，认知的结果往往没有得到升华。然而，一旦被推动的因素被推到一个极端的状态，数量的变化往往会导致质量的变化，而认知的结果会导致质量的升华。3.用极端思维提问和反驳问题是物理学发现的源泉。物理学家在物理研究中有时会用极端思维来提问。以一种极端的形式提问有利于科学发现的开始，因为它可以强化条件并把它们推向极端，并且有利于消除各种因素的干扰。这暴露了在正常情况下隐藏的矛盾。例如，爱因斯坦在16岁时问:如果一个人能以光速与光波一起奔跑，他会看到什么现象？他想:如果只有电场和磁场保持振荡和交替变化来推动波前进，你会看到振荡的电磁场而不是向前传播吗？这可能吗？这样，光速不变和速度合成定律之间的矛盾就在这样极端的条件下暴露出来了。用极端思维进行反驳往往能一针见血，一针见血。牛顿用著名的桶实验为他的绝对空间和绝对运动的概念提供了证据。他从水桶实验中得出结论，水桶和水的相对运动不是水面下沉的原因。这种现象的根本原因是空间中水的绝对运动的加速度(即相对于牛顿绝对空间的运动)。马赫认为牛顿桶实验中的凹水面与它和宇宙中存在的大量物质之间的相对旋转密切相关。当水的相对旋转停止时，水面变得平坦。另一方面，如果水不动，周围的大量物质相对于水旋转，水的表面也会下沉。如果桶壁的厚度应该增加到几公里甚至几十公里，没有人有资格说这个实验会发生什么。马赫将桶壁的厚度推到了极限，并对牛顿的桶实验进行了有力而巧妙的反驳。显然，人们永远不会制造一个壁厚几公里甚至几十公里的桶，但这并不妨碍反驳的清晰性:水的旋转不是在绝对空间中，而是相对于宇宙中物质的旋转，也就是说，“所有的运动都是相对的。”