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参考资料●理想模型及其在科学研究中的作用
所谓“理想模型”,就是为了便于研究而建立的一种高度抽象的理想客体.作为科学抽象的结果,“理想模型”也是一种科学概念.但是,它不同于一般的科学概念.例如,数学上所研究的不占有任何空间大小的“点”,没有粗细的“线”,没有厚度的“面”;力学上所研究的只有一定质量而没有一定形状和大小的“质点”,在任何外力作用下都不能发生任何形变的、绝对硬的“刚体”,以及“理想的摆”(即“单摆”或“数学摆”);流体力学中所研究的没有粘滞性的、不可压缩的“理想流体”;分子物理学中所研究的分子本身的体积和分子间的作用力都可以忽略不计的“理想气体”;电学上所研究的没有空间大小的“点电荷”;光学中所研究的能够全部吸收外来电磁辐射而无任何反射和透射的“绝对黑体”;化学上所研究的溶质与溶剂混合时,既不放热也不吸热的“理想溶液”;生物学上所研究的没有任何组织分化特征的“模式细胞”等等.这些都是“理想模型”.它们作为理想化的形态,都是在现实世界中找不到的东西.但是,“理想模型”并不是不可捉摸的东西.“理想模型”是以客观存在为原型的.作为抽象思维的结果,它也是对客观事物的一种反映.客观存在的复杂事物,包含有许多矛盾,因而具有多方面的特性.但在一定场合、一定条件下,必有一种是主要矛盾或主要特性.而“理想模型”就是对客观事物的一种近似反映,它突出地反映了客观事物的某一主要矛盾或主要特性,完全地忽略了其他方面的矛盾或特性.例如:作为“理想固体”的“刚体”,就是对固体的体积、形状不易改变这一特性的突出反映;“理想流体”,就是对流体的流动性的突出反映,等等.
在自然科学的研究中,“理想模型”的建立,具有十分重要的意义.
第一,引入“理想模型”的概念,可以使问题的处理大为简化而又不会发生大的偏差.在现实世界中,有许多实际的事物与这种“理想模型”十分接近.在一定的场合、一定的条件下,作为一种近似,可以把实际事物当作“理想模型”来处理,即可以将“理想模型”的研究结果直接地应用于实际事物.例如,在研究地球绕太阳公转的运动的时候,由于地球与太阳的平均距离(×108千米)比地球的半径(约为6370千米)大得多,地球上各点相对于太阳的运动可以看做是相同的,即地球的形状、大小可以忽略不计.在这种场合,就可以直接把地球当作一个“质点”来处理.在研究炮弹的飞行时,作为第一级近似,可以忽略其转动性能,把炮弹看成一个“质点”;作为第二级近似,可以忽略其弹性性能,把炮弹看成一个“刚体”.在研究一般的真实气体时,在通常的温度和压强范围内,可以把它近似地当作“理想气体”,从而直接地运用“理想气体”的状态方程来处理.
第二,对于复杂的对象和过程,可以先研究其理想模型,然后,将理想模型的研究结果加以种种的修正,使之与实际的对象相符合.这是自然科学中,经常采用的一种研究方法.例如;“理想气体”的状态方程,与实际的气体并不符合,但经过适当修正后的范德瓦尔斯方程,就能够与实际气体较好地符合了.
第三,由于在“理想模型”的抽象过程中,舍去了大量的具体材料,突出了事物的主要特性,这就更便于发挥逻辑思维的力量,从而使得“理想模型”的研究结果能够超越现有的条件,指示研究的方向,形成科学的预见.例如:在固体物理的理论研究中,常常以没有“缺陷”的“理想晶体”作为研究对象.但应用量子力学对这种“理想晶体”进行计算的结果,表明其强度竟比普通金属材料的强度大
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1000倍.由此,人们想到:既然“理想晶体”的强度应比实际晶体的强度大1000倍,那就说明常用金属材料的强度之所以减弱,就是因为材料中有许多“缺陷”的缘故.如果能设法减少这种“缺陷”,就可能大大提高金属材料的强度.后来,实践果然证实了这个预言.人们沿着这一思路制造出了若干极细的金属丝,其强度接近于“理想晶体”的强度,称之为“金胡须”.
总之,由于客观事物具有质的多样性,它们的运动规律往往是非常复杂的,不可能一下子把它们认识清楚.而采用理想化的客体(即“理想模型”)来代替实在的客体,就可以使事物的规律具有比较简单的形式,从而便于人们去认识和掌握它们.