论思想实验

摘要：思想实验是抽象思维和形象思维的完美结合，是一种应用广泛的科学方法。思想实验具有思想性、实践性、创造性等特征，在科学理论的解释、预测、检验以及科学发现和科学创新过程中发挥着重要作用。

关键词：形象思维；思想实验；科学创新

中图分类号：B80文献标志码：A 文章编号：1002-2589（2011）12-0067-02

一、思想实验的内涵

思想实验曾被称作“想象实验”或者“假想实验”，这两种说法都有一定的道理，从不同的角度对思想实验的部分特征做出了概括和描述。但它们都有不全面的地方，“想象实验”的提法，只看到思想实验中的形象思维部分，没有看到还有抽象思维的部分；“假想实验”则过于注重了其中假想的一面，非现实性的一面，没有看到实验性的成份，尤其是思想实验的实践基础。思想实验有些无法实现，而有些随着科技的发展，可以在现实中进行。一般认为，“思想实验”比其他提法更全面，更符合科学研究中的实践活动。

马赫曾把实验分为有形实验和思想实验，并概括了思想实验的一般特征，即：“他们都想象条件，把他们的期望与条件联系起来，并推测某些结果：他们获得思想实验。”[1]188但他的思想实验主体过于宽泛，把诸如空想家、小说家、社会乌托邦和技术乌托邦、精明而讲究实际的商人和严肃的发明家、探究者同样包括在内。他把思想实验分为两类：一类是用幻想把未在实际中出现的或从未一起出现的条件联系起来，伴随这些条件导出的是无关联的结果；一类是从事实出发，在思维中与实在保持密切联系。可见，他说的后一种才是通常意义上的思想实验。

思想实验和真实实验既有联系又有区别。马赫曾说过：“思想实验在任何情况下都是有形实验的必要的先决条件。”[1]188从总体上看，真实实验总是带有明确的目的性，它尽可能地排除外界的一些次要因素，突出主要变量，力争在观察到各种现象之间相互关系的条件下，利用仪器、设备，人为地控制使某一事物或过程重演。思想实验则是以实践为基础，对实际过程作更深入的抽象分析，其推理过程遵循一定的逻辑法则。在实践中二者相互联系，互为补充，思想实验以真实实验为根据和前提，并要接受真实实验的最终检验，而真实实验则借助于思想实验对经验材料进行理性加工，向理论深层延伸。

二、思想实验的特征

1.思想性

思想实验毕竟不是实在的物质过程，而是被研究客体的思想模型，主要是借助于表象和逻辑思维来进行一系列“操作”，体现了形象思维和逻辑思维的有机结合。

形象思维的自由性在思想实验的构想过程中有各种各样的表现。由于物理世界的联系和统一性，关于研究客体及客体间关系的思想实验，可以在其他事物运动形象的启发下，通过联想类比形成。同时，由于构思者的知识背景、学术修养不同，可以有不同的思想模型，都是思维的自由创造。它可以纯化、简化实验的各个环节，排除掉无法控制的干扰因素，使所研究的问题集中突现出来。它还可以不受限制地对任意对象进行实验。充分发挥形象思维的功能，多角度地考察实验对象。

但是，形象思维的自由性并不意味着可以在逻辑之外任意构建，相反要受到逻辑思维的约束和指导。实际上，单凭思想实验还不是取得成功的充分条件，还必须运用逻辑思维从未经消化的经验中获取信息。逻辑思维尽管并不影响人们对形象的选择，但它引导、控制着想象，首先过滤了那些违背经验事实、或同已确立的规律相对立的形象进入实际过程，保证想象不会漫无边际的四处游荡。可以说，思想实验的思想性特征表现在形象思维和逻辑思维的相互制约和相互补充中，既有想象的自由展开，又有有目的的逻辑推理，是二者的有机结合。

2.实践性

有人把思想实验看作是一种纯粹逻辑推理的过程，显然不符合事实。同实际实验一样，思想实验也有自己的要素、结构以及实验程序。思想实验当然离不开逻辑推理，但逻辑推理只是对概念及其关系进行组合，而思想实验远远超出这个范围，要求必须有出自客观世界的经验性条件，即库恩所说的“潜在的实验条件”[2]38或“物理逼真性的条件”[2]245。马赫也认为，“正是在我们观念中的事实的或多或少非任意的表象，才使得思想实验成为可能的。”[1]188思想实验在这些条件的基础上，借助于想象，使假想观测者运用假想仪器设备对假想客体进行各种“操作”。使来自不同客体的零散材料，统过实验格式逐渐成为一个有机的整体，从而探索研究对象的本质和相互联系。

由于思想实验和实际实验一些相同的基础特征，也具有实践性，科学史上记载的一些实验，往往很难判断它是实际的实验室实验还是思想实验。但思想实验的实践特征和实际实验存在很大的不同，尤其在检验方面，用来判定实际实验的是它的可重复性，思想实验则具有天然的可重复性，因而必须让它接受实验、观测的检验。思想实验的结果有实践性，不是纯粹的空想和推理，但还不是实在的经验事实，只有通过检验才能获得应有的价值。但总体上思想实验和实际实验在本质上是相通的，都属于科学实验的范畴，不言而喻具有一定的实践性特征。

3.创造性

在思想实验中，结果并不像实际实验那样自然显现，也没有确定的逻辑链条，只有依靠创造性想象。爱因斯坦非常重视想象力在科学认识中的作用，提出了“想象力比知识更重要”[3]284等著名命题，认为在探索自然之谜的过程中“科学家必须搜集漫无秩序出现的事件，并且用创造性的想象力去理解和联贯它们”[3]2。

要达到预期目标，研究者必须要有对问题的深入思考，并进行各种尝试，开始时新的理论出发点也许并不明确，但通过运用类比、想象、猜测、直觉等创造性思维方法，逐渐获得明确系统的形式。如上所述，思想实验是想象与逻辑推理的有机结合，既保证了想象的自由性，又保证了逻辑上的可靠性，使思想实验的创造性不流于空想。

由于思想实验具有与实际实验一定意义上相同的实践特征，使思想实验突破了纯粹逻辑推理的局限性，可以导致物理上新的理论建立和新的事实发现，可以对一些未知的领域作大胆的想象和预言。例如：爱因斯坦通过“自由下落电梯”的思想实验，提出了广义相对论中的等效原理，并进一步得出了光线在引力场作用下可弯曲的预言，显示了思想实验的创造性特征。

三、思想实验的作用

1.重新考察旧有经验，揭示旧理论的矛盾和缺陷

由于客观条件的限制，许多旧有理论由于经验材料不足，可能包含着错误的前提假定，但对其习以为常的人们往往难以发现。通过思想实验，从旧理论的前提开始，沿着思想实验的轨迹，通过逻辑推理，如果能推出与理论出发点不相容的结论，或者推出两种互相矛盾的结论，或者得出与已知经验事实、已确立的规律相矛盾的结论，可以形象地用归谬法揭示出旧理论的缺陷，破除成见，使人们更易接受新的理论，或者开始新的探索。

2.突破现有条件，对未知领域做出大胆预言

在科学实践中，个体的实验会受到实验装置的影响，诸如仪器精度等会产生人为不能控制的误差。理论物理学的快速发展也使其无论在微观还是宏观上更多地进入不能完全直接靠实验证实或证伪的领域。物理实验的化费越来越大，有的实验周期也很长，必须重视实验思想的分析，重视思想实验的论证预测功能，大胆做出探索和预言。爱因斯坦曾在创建广义相对论之后提出了“孪生子效应”等预言，直到1971年才由实验证实。

3.找出不同理论的相关性，发现新的研究方向

思想实验的创新性可以使科学有新的角度，针对已得到承认的理论，提出合理的猜测，对原有理论进行质疑，从而促使人们在原来的基础上从事新的探索，使原有的理论更全面，对自然界的认识更深刻。麦克斯韦就曾经用一个思想实验（麦克斯韦妖）来阐述热力学第二定律的局限性。他设想在一个处于热平衡态的气体分子箱里，安装一个带有活门的夹板，然后让一个极小的“妖精”把守，只让快分子和慢分子单向通过。这样，分子就会重新分开，一边动能高温度高，另一边相反[4]225。这个思想实验并未推翻热力学第二定律，但使人们认识到它的局限性，促使人们对其可能性进行了新的探索，加深了对经典热力学的理解，促成了统计力学和开放系统远离平衡态热力学的建立，开辟了发现自然规律的新途径。

4.合理设置针对性实验，尝试解决理论争议

在科学史上，爱因斯坦和玻尔关于量子力学完备性的争论旷日持久，被认为只有牛顿和莱布尼茨之间的争论才可与之相提并论。和前辈不同的是，爱因斯和玻尔更多地应用了思想实验。思想实验对于理论物理学的优越性使他们都相信可以通过它做出有意义的判决。但是爱因斯坦的单狭缝绕射实验和光子盒实验并没有难倒玻尔，前者经由玻尔的解释在今日已成了说明测不准关系和互补原理的标准范例。许多人正是通过这些思想实验对量子力学的完备性更为相信。

5.简洁、形象地表达抽象、复杂的理论问题

现代理论物理学越来越抽象，物理学家对那些艰深的概念非常熟悉，习惯在头脑中思考它们，对许多问题满足于提供自洽的数学方程。因此，对于抽象、复杂的理论问题，思想实验在交流和表达中起到了重要的作用。“薛定谔猫悖论”就是一个著名的思想实验，通过一个巧妙的装置使量子假说得出有背常理的推论：猫的死活不再是一种独立于观察者主体的客观存在，而是依赖于观察者测量。从而向量子力学的诠释提出质疑。

从科学史上看思想实验源远流长，但早期的思想实验由于客观条件的限制大多只是为了对经验做出思辨的补充，是自然哲学思维方式的一种表现，过于偏重逻辑推理，还不能称为真正意义上的思想实验。其真正得到广泛应用始于近代科学的发展，伽利略、牛顿之后，在物理学的各个分支中，都出现了一些著名的思想实验。随着现代计算机技术的飞速发展，思想实验的形态和功能都得到了进一步的拓展，在科学发现和科学创新过程中发挥着越来越重要的作用。

参考文献：

[1][德]马赫.认识与谬误[M].李醒民，译.北京：华夏出版社，1999.

[2][美]库恩.必要的张力[M].范岱年，纪树立，译.北京：北京大学出版社，2004.

[3][美]爱因斯坦.爱因斯坦文集：第一卷[C].许良英，译.北京：商务印书馆，1976.

[4][英]斯蒂芬.F.梅森.自然科学史[M].上海外国自然科学哲学著作编译组.上海：上海人民出版社.1977.

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