大师们的思想实验

1.在大多数人的心目中，物理学是一门经验科学。它基于观察和实验，与思辨哲学无关。然而，这完全是一个误解。在科学史上，物理学的每一个重大进步都会给哲学带来巨大的变化。例如，伴随牛顿在推理力学上的巨大成功的机械论哲学就是一个很好的例子。同样，哲学可以在物理学的研究中发挥指导作用，也就是说，作为物理学建筑中不可或缺的脚手架。正如瓦托夫在他的文章《科学思想的概念基础》中所说，形而上学可以被看作是科学的一部分，也就是说，是阐述科学假设和理论的最一般的概念框架。形而上学是思想的源泉，它可以系统地指导科学思想的不同部分。一些形而上学的假设可以成为科学中的规范和启发性的概念。它们构成了科学家的基本世界观和思维方式的深层结构，从而对科学家起着调节或引导作用。这场讨论是对哲学和科学之间关系的深刻见解。对它的深刻理解将有助于物理教师理解伽利略、牛顿、爱因斯坦、玻尔等物理大师及其成就。正因为哲学和科学是相互依存的，在我们的实验态度中，我们不仅应该重视通过使用现有技术在科学发现中可以实现的实验的作用，而且应该认识到只有在原则上可以验证但在技术上还没有实现的意识形态实验的价值。意识形态实验也是知识的来源，应该在中学科学教学中占有一席之地。2.物理学史上的三位大师:伽利略、牛顿和爱因斯坦对实验有不同的看法。伽利略非常重视通过实验来检验理论。然而，由于恶劣的外部环境(哲学对科学的束缚和沉重的经济负担)、简陋的实验条件和自然哲学思辨传统的影响，他也非常重视思辨功能，通过将思辨方法和实验方法相结合，获得了许多科学发现。因此，现代物理学界普遍怀疑伽利略做过比萨斜塔实验和斜面实验。牛顿出生于伽利略去世的那一年。在《自然哲学的数学原理》的第三部分，他提出了四条推理原则，即他的力学理解模型的方法论原则，其中第四条是归纳原则。可以看出，牛顿更关心能够获得数据的技术上可行的实验。通过归纳，物理现象在数学中得以表达，这与牛顿试图改造物理学，把它从定性和非科学状态中拯救出来，建立定量和科学的物理学的初衷是一致的。然而，在他的思想中，毕竟有一个进行意识形态实验的地方。20世纪的物理学大师爱因斯坦认为，“适用于早期科学的归纳方法正在让位于探索性演绎方法”。因此，不难理解，尽管爱因斯坦也对实验工作感兴趣，但他更感兴趣的是远离直接实验的意识形态实验。他的研究成果(除了爱因斯坦-德-哈斯效应)几乎完全是由他的大脑创造的。在爱因斯坦的时代，有一种被称为逻辑实证主义的科学哲学，它认为经验是知识的唯一来源。它否认了投机的作用。爱因斯坦毫不犹豫地称之为“最糟糕的哲学”。3.意识形态实验的一个例子伽利略是意识形态实验的第一个大师。在驳斥亚里士多德关于物体下落的速度与它们通过的介质密度成反比的论断时，他有这样一个分析:一个木球分别落在水中和空气中(我们知道空气和水的密度相差10倍)。如果亚里士多德的断言是首先假设木球在空气中下落的速度是20，那么木球在水中下落的速度是2，但事实上木球根本不会在水中下落。如果一个物体在水中以2的速度下落，它在空气中的下落速度应该是20，但是既然这个物体在水中下落，它一定比木头重，所以(根据亚里士多德的理论)它在空气中的下落速度应该超过20，这样矛盾又出现了。从而否定了亚里士多德关于落体运动的论断。在进一步的研究中，他思考了“当不同重量的物体被放置在不同阻力的介质中会发生什么？伽利略从实验中得出结论，不同物体之间下落速度的差异与介质的阻力成正比。在此基础上，他进一步思考:如果中等阻力消失，落体将如何运动？根据逻辑推理，速度差与介质阻力成正比。现在假设介质阻力为零(真空下降)，那么速度差也为零。因此，伽利略从意识形态实验中得出结论，在真空中，所有物体将以恒定的速度下落。这是一个伟大的思想成就。在当时无法获得真空的限制下，伽利略通过实验和逻辑推理的结合得出了正确的结论。尽管牛顿更受其本国实验科学鼻祖弗朗西斯·培根(1561-1626)的影响，但他在对重力、时间和空间的研究中不得不采用思维实验的思辨研究方法。他想象过在一座高山上放一门大炮，炮管与地面平行。如果大炮有很强的发射能力，它发射的炮弹就会像月球围绕地球旋转一样不断地围绕地球旋转。可以看出，牛顿在他的头脑中已经发射人造卫星300多年了。为了证明他的绝对时间和绝对空间的概念，他还设计了“桶实验”。水桶包含一定量的水来使水桶旋转。起初，水桶里的水没有随着水桶旋转，所以水面很平静。然而，水相对于水桶移动。因为水的静止不是相对于水桶的，它只能相对于绝对空间。后来，水随着桶旋转，水面形成一个凹面。这时，水仍然是相对于桶的，但是水面的变化表明水在运动，而这种运动只能是相对于绝对空间的。在牛顿看来，这个意识形态实验清楚地说明了绝对空间的存在。然而，马赫发现这个思想实验的致命点是，没有必要编造绝对空间作为参照物，因为自然界中有无数的参照物。爱因斯坦从斯宾诺莎和马赫那里汲取精神财富，反对牛顿的绝对时空观，进行了“同时相对性”和“*落体电梯”两次思想实验，分别成为狭义相对论和广义相对论建立的关键。作为决定论的最后一位大师，爱因斯坦反对量子力学的概率解释。在1930年10月的第六届索尔维会议上，爱因斯坦以一个被称为“爱因斯坦光子盒”的理想实验为例，主动驳斥了测不准原理。为了提高测量时间和能量的准确度，爱因斯坦想出了一个办法。他考虑了一个有理想反射墙的盒子，里面充满了辐射。盒子上有一扇门，由盒子里的时钟控制。快门打开和关闭之间的时间间隔可以任意短。一次只释放一个光子，能量可以通过重量的变化来测量。只要测量光子释放前后整个盒子重量的变化，就可以根据相对论能量转换公式E=mc2来计算。盒子里少了一个光子，能量相应减少，能量减少值可以精确测量。这样，时间间隔和能量减少值可以同时被精确地测量，从而证明不确定性原理不能被建立。然而，经过一夜不眠不休的紧张思考，玻尔终于找到了差距。他发现爱因斯坦没有注意到广义相对论的红移效应，从而驳斥了爱因斯坦的批评。除了三位大师的精彩“思想实验”，法国工程师卡诺的“卡诺循环”、卢瑟福的“原子结构的核模型”、海森堡的“电子束单缝衍射实验”和丁雪·阿什的“丁雪·灰猫”也在物理学史上写了大量的文章。4.结论在科学研究中，再多的科学实验也不能完全证明一个理论，这个理论是由归纳的本质决定的，但是一个否定的例子足以证伪一个理论。在上面列出的意识形态实验中，有些被否定了，但它们的作用不能被轻视。那些伪造的意识形态实验不是新理论的“助产士”吗？在当代物理学的研究中，各种理论有不同的观点，但没有决定性的实验可以找到。有必要停止科学进程吗？另外，在对微观物体的实验中，实验仪器会对微观物体造成严重的干扰。正如20世纪70年代一样，德克萨斯大学的米苏拉和苏达山发现，在连续测量的条件下，不会发生核衰变。1989年，在美国国家标准和技术研究所，当研究人员用激光扫描核材料时，它的衰变速度减慢了。在连续扫描中，核衰变停止了。正因为如此，我们有理由相信思维实验将再次在科学探索中发挥重要作用。新的“思维实验大师”会带来物理学的下一个伟大进步吗？