思想实验及其在科学发展中的作用

 摘 要：思想实验是有别于真实实验的一种理性思维活动。在近代科学发展的过程中，思想实验以其思维的独特性、深刻的创造力而大放异彩。伽利略、马赫、爱因斯坦等大科学家对此曾有专文进行探讨和研究。深入研究思想实验及其在科学发展中的作用，对于培养创新人才、促进科学发展具有积极意义。

关键词：思想实验、理性思维、创造力

一、思想实验的一般考察
伽利略是近代科学的先驱者，他对物理学做出了多方面的贡献，其中他发现的落体定律和惯性定律，为近代物理学提供了两块坚固的基石。他的成功，得益于率先采用了科学的物理实验，更得益于他独创的物理实验与思想实验相结合的科学方法。伽利略的出色工作，表明了他既是一位物理学的大师。也是一位进行思想实验的哲人。众所周知，在相当长的一段时间里，人们对于力和运动物体等物理现象、物理规律的认识，一直受到亚里士多德学说的束缚。亚里士多德认为：物体运动速度的有无和大小，是由它是否受力及力的大小直接决定的。地面上轻重不同的物体下落速度不同：重物下落较快，轻物下落较慢。对此也曾有人反对过他的错误说法，但都因为没有确切的实验和理论上的论证，所以没有被人重视。第一个成功地打破亚里士多德的错误权威的正是伽利略。伽利略巧妙地运用思想实验否定了这一统治欧洲近两千年的错误理论：物体下落的速度和重量成正比。他在《关于两门新科学的对话》中写道：“我十分怀疑亚里士多德曾用实验检验过，当两个石头，一个重量是另一个的10倍，从同一高度。如100库比特高下落时，其速度的差别会达到这样的程度。以致重物着地时，后者下落还不超过10库比特。”伽利略紧紧抓住这一疑点。设计了思想实验来进行分析和论证。他指出：如果亚里士多德的论断成立的话，即重的物体比轻的物体下落得快。那么，当两个绑在一起下落时，由于快的受慢的阻碍而减慢，慢的受快的驱使而加快。其结果绑在一起的物体下落的速度一定介于原来两个物体的速度之间，即小于原来重物下落的速度。但是，两个物体绑在一起就成了一个复合体，它比原来的重物体还要重。按亚里士多德的论断复合体下落的速度要大于原来的重物体下落的速度。这就和上面的结论相矛盾。由此可知重的物体下落不会比轻的物体下落得快，二者下落的速度应该是相等的。正是这一思想实验。坚定了伽利略进行落体实验的信心和决心。必须指出：对于伽利略在比萨斜塔进行的落体实验，在物理学史上尚有争论，这主要是因为年代长久，资料不全。但是对于伽利略在其著作中论证的上述思想实验则是举世公认的。在否定了亚里士多德的落体定律之后，伽利略进一步对自由落体运动进行了定量研究。他根据对自由落体运动的定性观察结果：速度越来越快的基础上。假设自由落体运动是一种匀加速运动。在1590-1592年期间进行了大量的落体实验。但在当时的测试条件下，不可能立即用实验来证实这一假设，伽利略便用思想实验与真实实验相结合的办法解决了这个难题。他借助于数学，求出了从静止开始的匀加速运动的距离s与时间t的关系(如图)。 图中AB表示时间，各横线表示各时刻的速度，可见三角形ABE的面积等于矩形ABFG的面积，FB为末速度的一半，即平均速度。由此可得出。匀加速运动通过的距离与所用的时间的平方成正比，即 S／t2 。这里不包括任何速率。只要直接测定S和t就行了。但是，物体的自身下落在当时无法精确测定。伽利略想到要用斜面实验来代替落体实验。这样既可冲淡重力的作用，便于测量，又有冲淡空气阻力的效果。伽利略在一木板上刻出一条直槽，贴上羊皮纸使之平滑，让小铜球由静止开始沿直槽下落，并用水滴钟计时。他使斜面成不同的倾角，并使铜球滚动不同的距离，经过多次反复的试验测定，得到如下的结果：(1)当斜面角固定时。球滚动过的距离s与所用的时间t的平方之比为一常数，即S1／t12 = S2／t22 = S3／t32(2)改变斜面的倾角，S／t2 的值随之改变。但小球通过的距离与时间平方成正比关系不变，变化的仅是比例系数。伽利略用思想实验把这个结果推向极端----当倾角为90°，即斜面变成垂直面时。即物体作自由下落时这个论断也将成立。他由此得出结论：自由落体运动是匀加速运动。实验发现：由于物体重量的影响，在向下倾斜的平面上的物体的运动有加速的原因。而在向上倾斜的平面上物体的运动有减速的原因。当摩擦力小到可以忽略的程度，从一个斜面滚下的小球，将沿第二个斜面上升到同样的高度。这与斜面的倾斜度无关。如图所示
在第一个斜面的A处释放一个小球，小球将沿着第一斜面AB下落，并沿第二个斜面BC上升，最后会达到同样高的C处。如果减小第二个斜面的倾斜度，则小球所经达的路程会增加，并还会滑到相同的高度。随着第2个斜面倾斜度不断减少。小球运动过的路程就会越来越长。伽利略再一次运用思想实验。推想：在没有摩擦力的情况下。如果第二斜面的倾斜度减小到零，即变为一个水平的平面时，小球就再也达不到它原来的高度。那么这个小球将以不变的速度沿水平面永远运动下去。他由此得出结论：“当一个物体在一个水平面上运动，没有碰到任何阻碍时，它的运动就将是匀速的并将无限地继续进行下去，假若平面是在空间中无限延伸的话”。这就是伽利略关于惯性的思想。纠正了亚里士多德关于外力是物体产生并维持运动的原因的说法。伽利略对自己所独创的物理实验与思想实验相结合的科学方法感到由衷的高兴。我们可以说，这是第一次为新的方法打开了大门，这种带来大量奇妙成果的新方法，在未来的年代里，会博得许多人的重视。此后，随着科技的发展和认识活动的深入，思想实验在近代科学中得到了日益广泛、自觉的运用。出现了马赫、爱因斯坦等善于使用思想实验的物理大师。近代科学的各个分支中，产生了一些著名的思想实验。例如，力学中，马赫对“牛顿旋转水桶”的思想实验，否定了牛顿的绝对时空和绝对运动[1]。热力学中，有卡诺循环和有关麦克斯韦的思想实验。在电磁学中，麦克斯韦在建立电磁场理论时，曾用思想实验把奥斯特—罗兰实验中围绕变化电场或电流周围的磁场的闭合力线缩为一个点。把法拉第实验中围绕变化电场的磁场的闭合力线缩为一个点，从而迈出了关键的一步。在量子力学中，有证明粒子波性的单电子衍射实验，证明测不准关系的理想显微镜实验，电子束单缝衍射实验，能量势阱等思想实验。在相对论中，有证明同时性相对性的“爱因斯坦列车”、“光子火箭”的思想实验，有引入加速场等效于引力场、证明光线在引力场中弯曲的升降机思想实验等等。可以说没有思想实验，近代科学的发展是困难的，它的理论体系就建立不起来。对此，爱因斯坦曾评价说：伽利略的发现以及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。
二、思想实验的基本特点
从对近代科学中思想实验的历史考察，我们可以看到：思想实验是按真实实验的格式展开的一种复杂的思维推理活动。其思想操作包括以下几个层面。1)对从未进行过的或潜在的可以实现的实验的预想；2)对真实实验的理想化抽象或推理，即理想实验；3)现实中不存在、与经验相矛盾的。但逻辑上讲得通、科学上有意义的想象。这些思想操作不必物化(有的不能物化)就可得到确定的结论。由此可见，思想实验具有以下特点。
1 思想实验具有实验的可操作性
思想实验不是实际进行的实验，是头脑中的实验。其之所以被称为“实验”，是因为这种思维活动是按照实验的格式而展开，是可操作的。在思想实验中，假设观测者运用假想仪器对假想事物进行操作，这种操作是在想象中进行和仿真的。操作者主要根据自己的认识和思考，使用贮存于头脑中的经验表象、语言材料。通过分析、想象、类比和逻辑推理进行想象的操作。思想实验使用的假想仪器是假想对事物作用的基本手段。爱因斯坦在确定同时性的相对性定义时，认为光按直线以恒速传播，核对两个同样的钟的同步的程序是：测好两只钟的距离，找到它的中点，守在两只钟旁的两个观察者，当各自的钟指七点时发信号，如两信号在中点相遇时，则这两只钟便是同步了。或者，设A与B两钟的距离是L。A处的观察者在A钟指零时发信号，而B处的观察者在收到信号时，将B钟拨到t=L／c。如此时再从B处发信号，则A处接到信号时，A钟的指针应在(t+L／c)处。用这样的方法就可建立一套同步的钟的网络。爱因斯坦说：“在我们相对论里，我在空间每一点上都安放了钟，但实际上在我的房间时，甚至连一只钟都没有。在这里，他以各点的同步钟为假想仪器，对时间、空间进行观察，终于导出了“同时”的相对性。并成为建立狭义相对论的一个关键。假想客体不断变化的形象是思想实验最主要的内容，也是思想实验操作的必然过程。假想的主体和仪器都是为此而存在，并在对假想事物的观察和作用的过程中。揭露被研究事物的本质和相互联系。从而达到思想实验预定的目的。
2 思想实验具有严密的逻辑性
在思想实验进行过程中，逻辑推理是它的基本指向，科学家在构思思想实验时，想象是充分自由的，他可以根据自己掌握的经验和知识、当时的科学水平，就被研究的事物进行充分的联想，联想从何而发、向何方延伸也是随机的。当众多形象材料、经验表象在科学家脑海中涌现时，其展开和联系则常常求助于与此有关的概念和关系。这些概念与关系既同下一步的逻辑思维联系着。又同构思前预定的目的联系着。只要逻辑推理允许，它甚至也接纳那些违背“经验事实”的，或同已确定的“物理规律”相对立的表象进入思想实验中。比如，爱因斯坦在创立相对论的过程中，他为了阐明同时性的相对性，突破了牛顿力学的绝对时空观，建立“爱因斯坦列车”、“时钟佯谬”等思想模型，逻辑思维把高速运动的列车、观察者、闪光、时钟等形象以及它们在空间中的位置进行联系和展开，使之成为有理有据、条理清晰的思维图象。所以，思想实验的操作过程，既是想象自由展开的过程，又是逻辑运动的过程。在这中间，逻辑起着主导作用，启引导、控制着想象，保证想象既是丰富的。又不是胡思乱想。想象活动为逻辑运动提供了可靠的素材基础，逻辑运动在想象提供的形象运动中操作展开。两者相辅相成，浑为一体。
3 思想实验具有高度的创造性
(1)科学家作思想实验的目的，是为了揭示事物内部的规律性。因此其探索是前无先例的，带有高度的创造性。爱因斯坦在《物理学的进化》中指出：“任何一个理论的目的是指导我们理解新的情况，启发我们做新的实验从而发现新的现象和定律。”思想实验也是如此。法国物理学家卡诺研究热效应和热机效应时，受瀑布落差的启示。进行了“卡诺循环”的思想实验，他构思用两个理想的等温过程和两个理想的绝热过程来完成一个热力学循环：首先使气体进行等温膨胀，从温度为T的热源吸收热量；其次，使气体绝热膨胀，温度降低；再次，经过等温压缩气体向温度为T的冷源放热；最后，经过绝热压缩，使气体温度升高并回到开始时的状态。通过这样一个理想的热力学循环的思想实验，卡诺得到了热机的最高热效率等于(T1一T2)／T1 ，创造性地解决了热机效率问题。爱因斯坦说得好：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个数学上的或实验上的技能而已，而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看旧问题，却需要有创造性想象力，而且标志着科学的真正进步”。
(2)思想实验与真实实验存在着原则的区别。真实实验是一种科学的实验活动，它是在尽可能地排除外界的许多影响、突出主要因素，并且能够细腻地观察到各种现象之间相互关系的条件下，使某一事物(或过程)在发现或重演。现代科学研究中，通过使用日益精确的实验设备和越来越先进的技术手段，甚至可以人为地创造许多极端的自然条件(如超高温、超高压、真空、强磁场等等)，从而能够得到原来无法观察到的自然现象及其变化发展规律，进一步丰富和扩大人们的感性认识。思想实验是一种理性的思维活动。但不是脱离实际的主观臆想，而是以实践为基础。按照实验的格式操作展开，对实际过程做出更深入一层的抽象分析，其推理过程是以一定的逻辑法则为根据的。而这些逻辑法则，都是从长期的社会实践中总结出来且为实践所证实了的。思想实验借助客观现象和过程之间的内在逻辑关系的分析，对科学理论进行证明与反驳。它是一种相对独立的科学方法。
(3)思想实验和真实实验又是紧密联系和互补的。科学中的理论、规律是从大量实验事实中总结概括出来的，科学中的假设、争论也有赖于真实实验的验证。在真实实验中科学家为了获取关于自然界规律的认识，通过仪器设备等手段对事物进行严密控制和有目的的变革。显然，真实实验不仅仅是获取感性材料的实践，也是按照思维加工的要求，在实践中帮助人们在自己头脑中实践、抽象、分析和综合的理性活动。这样，在真实实验开始前对实验过程的预想和设计，在观测后对经验材料的分析和概括，都得借助于理性思维。有时两者往往密不可分地穿插在一起，真实实验为思想实验提供经验材料，思想实验对经验材料进行理性加工，并为真实实验提供理论指导。从伽利略发现落体定律和惯性定律活动中，可以明显地看到这一点。
(4)在科学研究中，思想实验能够成为一种不可替代的科学方法，还由于思想实验以其科学思维的严密性、精确性补充了真实实验的不足。常有这种情况，科学家进行某种真实实验。但由于技术和科学知识水平的限制，甚至使所需的条件无法兑现。比如，验证广义相对论的某些实验条件，或者某些条件在任何时代都不能被满足。比如，验证牛顿第一定律所需要的无摩擦力的平面。但是，这些条件在逻辑上是可以实现的，这样，人们可以避开实际的技术困难。在思维中把这些条件制作出来，或者对现在条件进行理想化抽象，在想象中实现这些条件。进而在头脑中展开类似于真实实验的“仿真”过程，推断被研究事物的内部规律。必须看到，现代科学已发展到理论科学阶段，认识活动日益远离日常经验和人们的直觉，深入到感觉不能直接感知的微观和宏观领域，事物的现象和本质之间关系越来越复杂隐蔽。科学研究活动所需的仪器设备也日趋复杂，理性思维的地位更加突出。思想实验作为一种科学方法将在更广阔的领域中应用。
三、思想实验的积极作用
1 强烈的质疑批判作用
科学发现始于问题，而问题则是由怀疑产生的。因此，怀疑是创造性思维的开端，怀疑是科学进步的征兆，怀疑精神是科学家最可贵的素质之一。英国科学家毕尔生说得好：“在我们这个本质上是科学研究的时代，怀疑与批判的优势不应被视为绝望与没落的征兆，它是进步的保障之一。”运用思想实验，往往从对传统的理论质疑入手。从而生动准确地揭露旧理论的缺陷，批驳旧理论的错误。早在古希腊，人们就对力的作用与物体运动速度进行了观察和初步的研究。日常的现象告诉人们：一辆四匹马拉的车比两匹马拉的车运动得快。多次的经验使人们深信，要使一个物体运动得愈快，必须用更大的力推它。后来由享有至高无上威望的亚里士多德总结为他的力学理论：当推一个物体的力不再去推它时．原来运动的物体便归于静止。对此，伽利略提出了质疑。在斜面实验的基础上进行思想实验。认为：“一个运动的物体假如有了某种速度以后。只要没有增加或减小速度的外部原因。便会始终保持这种速度—— 这个条件只有在水平的平面上才有可能，因为假如在沿斜面运动的情况里，朝下运动则已经有了加速的起因。而朝上运动，则已经有减速的起因。由此可知，只有水平的平面上的运动才是不变的，因为假如速度是不变的，运动既不会减小，更不会消灭。”在这里，伽利略针对亚里士多德的缺陷，正确区分了速度和速度的变化，提出了“惯性”的思想，得到了力与速度改变之间的联系这一崭新的力学理论。从而否定了力与速度本身之间联系的旧理论。这些经牛顿的整理和发展。成为经典力学的三大基本定律。同样，马赫把牛顿“旋转水桶实验”的论据推向极端，指出：“没有一个人提出证据说他知道关于绝对时间的任何东西，绝对时间是一种无用的概念。”牛顿旋转水桶的实验只是告诉我们：水对桶壁的相对转动并不引起显著的离心力。而这离心力是由水对地球的质量和其他天体的相对转动产生的。就这样马赫用思想实验否定了牛顿的绝对空间、绝对时间和绝对运动，得出了一切运动都是相对运动的结论。马赫的这些思想对爱因斯坦的相对论产生过重要的影响。在许多情况下，科学家从旧理论提供的前提出发，进行思想实验或者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推出与经验事实、已经确立的自然规律相矛盾的结论。对旧理论的错误进行质疑和批驳。
2 深刻的探索创新作用
思想实验的运用，能够深化人们的认识。开拓新的研究方向，推进近代科学的发展。赫舍尔早在1847年就说过：“科学发现必须依赖于某些有运气的思维，我们并不能追溯它的起源，某些智力的幸运投射超越一切规则的，不存在必然导向发现的格言。”19世纪末，以经典力学、电磁理论和经典统计物理学为代表的经典物理学经过300多年的发展，达到了完整、系统和成熟的阶段。当时在不少物理学家的思想中，认为物理学的大厦已经基本建成，一些起基本的、原则的问题都已经得到解决，物理学的“激动人心”的时期已经过去了，今后的任务只是进一步精确化，即在一些细节上作补充和修正。使已知公式中的各个常数测量得更加精确些而已。1900年4月27日。英国物理学家开尔文在一篇瞻望20世纪物理学的文章中宣称：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”但在文章的结尾，也说出了他的担心：在物理学晴朗天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云。”这两朵乌云就是指当时经典物理学无法解释的黑体辐射实验和迈克逊---莫雷实验。正是这两朵乌云引发了20世纪物理学的革命。这场物理学变革的先锋是爱因斯坦。爱因斯坦较早地看到了经典物理学的“危机”，他一直在思考两个问题：“一个是，如果有人跟着光线跑而企图抓住它，那么又会发生什么呢?另一个是，如果有人凑巧在一部自由下落的升降机里，那么又会发生什么呢?”在对这两个问题的思想实验和参考其他实验资料后，他建立了关于时间、空间与物质运动之间关系的全新理论——狭义相对论。指出：当物质运动的速度与真空中的光速可比时，牛顿的时空观必须被抛弃。而代之狭义相对论的时空观。爱因斯坦说得好：“当物理学的这些基础本身成为问题的时候。经验迫使我们去寻求更新、更可靠的基础，物理学家就不可以简单地放弃对理论基础作批判性的思考。而听任哲学家去做；因为他自己最晓得，也最确切的感觉到鞋子究竟是在哪里夹脚的。在寻求新的基础时，必须在自己的思想上尽力弄清楚他所用的概念究竟有多少根据，有多大的必要性。”相对论的诞生。将人类对客观世界的认识向前推进了一大步，开拓了科学研究的新领域。对此，汤姆森评论道：“爱因斯坦不是发现一个外国的岛屿，而是发现整个科学新思想的大陆。”同样，现代电子计算机的诞生也显示了思想实验的魅力。普林斯顿大学教授冯•诺伊曼认真审视了机械式计算机、机电式计算机后，率先提出计算工具不只是人的体力的延伸，而是为大脑的活动提供了辅助工具—电脑。他用全新的思想构画出电子计算机应有五个部分构成：运算器、逻辑控制器、存储器、输入和输出。冯•诺伊曼因此被誉为“电子计算机之父”。
3 积极的认识发展作用
“科学正是要研究我们所不知道的东西”。科学认识是一种高级的认识形态。是自然界客观规律的能动反映。思想实验对于科学认识的发展起着积极的作用。科学研究是一个认识过程，主观和客观是它的一对基本矛盾，科学认识是主体和客体不断地反馈作用的过程。从认识的主观方面看，人类世代相传的认识能力是无限的，而每个人或每一代人的认识又是有限的。从认识的客观方面看，它既包括研究对象也包括研究手段。就研究对象而言，科学研究的对象是复杂的。客观事物往往是多方面、多层次、多关系的统一体，同时又处在不断发展和变化之中。就研究手段而言，认识工具、实验仪器涉及到观察的准确性问题。实验仪器一方面能使我们对客观对象获得较可靠的观察事实；但是，另一方面实验仪器又带来了不可控制的干扰。影响了人们观察的客观性。这一点在微观方面表现得尤为突出。特别是现代科学发展已经深入到宏观和微观领域，是在更深更广的物质层次上揭露自然界的本来面目及其发展规律。如遥远的天体和基本粒子。人们无法进行直接观察，只能借助观测仪器做间接的、探索性的观察，并且还要靠理论思维去把握。爱因斯坦说过：“人们总是想以最适当的方式来画出一幅简化的和易领悟的世界图像”， “科学是随着研究方法所获得的成就前进的”。正如J•D•贝尔纳所指出的：“我们所知道的科学所以恰恰是按这种方法而不是按另一种方法发展。绝对不是意味着这种方面是唯一科学发展方法，或者甚至说是科学发展的最好的最快的方法。大自然的规律虽然不取决于人的意志，但揭示和研究这种规律的程序却决定于人。”思想实验作为科学认识主体自觉能动性的表现形式，主要体现在两个方面。首先，思想实验的产生和发展，是科学认识主体自觉能动性发展所导致的必然结果。爱因斯坦说得好：“要是没有追求清晰理解的热忱，甚至根本就不会产生科学方法”。“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切。推动着进步，并且是知识进化的源泉，这也是所有科学大师共有的特点。严格地说，想象力是科学研究中的重要因素。” 其次，思想实验对科学认识的有效性也体现了科学认识主体的自觉能动性。爱因斯坦对此也说过：“一切方法的背后如果没有一种生气勃勃的精神。它们到头来都不过是笨拙的工具。”从某种意义上说，任何实验结果都没有失败，意想不到的结果正是某种新发现的开始。


参考文献：

[1] 马赫《力学史评》北京科学出版社，1983
[2] 牛顿《自然哲学的数学原理》上海科技出版社，1954
[3] 爱因斯坦 《物理学的进化》上海科技出版社，1962
[4] 恩格斯 《自然辩证法》北京人民出版社 ，1964
[5] 巴甫洛夫 《巴甫洛夫选集》北京科学出版社 ，1955
[6] 丁福虎 《美的规律与科学知识的生产》科学学研究，1999
[7] 爱因斯坦 《爱因斯坦文集》 (第1卷)北京商务印书馆 ，1976
[8] 爱因斯坦 《爱因斯坦文集》 (第3卷)北京商务印书馆 ，1976



Thought experiment and its function in the develop of science


Abstract ：The thought experiment is a kind of rational thinking activity which is different from the turn experiment. At the develop process of modern science. Thought with uniqueness of thinking their experiment, deep creativity yields unusually brilliant results. Such great scientists as Galileo, Mach, Einstein etc. Once had special documents to carry on the discussion and research with this .Further investigate the thought experiment and role in scientific development .For training innovative talents, bringing about an advance in science has positive meanings.

Keywords ：Ideological experiment, Rational thinking, Creativity