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【刘端直】论思维实验

 

     思维实验(1),顾名思义,是一种在人头脑中进行的实验。它既没有实在的仪器设备,也没有实际的实验操作,拥有的“实验”为特定的思维活动形式所提供。思维实验不受限制,借助于想象能力,可以把实验者置身于任何对象的环境之中。爱因斯坦称它为“思维的自由创造”,(2)是“理智的自由发明”。(3)要获取它,既要对要解决的问题有深刻的洞察,又要进行长期艰苦的思索和多种多样的尝试。思维实验,远在古代就已经有了萌芽。如古希腊科学家阿基米德在研究面积和体积时,总是先在思想中进行“实验”。“想象把用均匀材料切成一定形状的平面物体通过称量,以测量它的面积,这样就对它们的关系有所了解,然后再从数学上进行证明。”(4)公元前五世纪时,芝诺用思维实验方法论证了“阿基里斯追不上乌龟”的命题。这类“实验”在中世纪也有人作过。当时,它还迸发过很有价值的火花。到了近代,它才逐渐从思辨的形式转变成为科学的思维实验。我们以为17世纪是科学的思维实验的发源时期。这同当时的新实验技术和新经验成果的积累不可分。也与伽利略、牛顿等人重视思维的能动作用有关。思维实验最初主要从物理学中发展起来。这与物理学主要始于研究宏观物体的运动,而这些物体的变化又易于被人们头脑所表象有关。思维实验本世纪被一大批科学家广泛运用和推广,从而形成现代科学研究中一种独特的实验活动。它是人类认识能力提高的重要标志,是发挥理论思维卓越作用,开辟自然科学理论新天地的有效途径。思维实验作为一种科学方法加以研究,已有近百年的历史,诸如马赫的《论思想实验》、(5)爱因斯坦与英费尔德合著的《物理学的进化》、(6)、库恩的“思想实验的一种作用”(7)等,都是涉及研究思维实验的重要文献。

   思维实验依其结果的性质不同,可分为思想实验和理想实验。

   思维实验,在爱因斯坦那里得到了高度综合和充分发展,被叫做思想实验,或理想实验。后来,有人把它称为“抽象实验”或“假想实验”;英国数学家布罗诺夫斯基把它称为“想象实验”等等。上述称呼或叫法,除爱因斯坦有时有过区别外,其他的都未能把思维实验中的思想实验和理想实验认真加以区分。在科学研究中,思想实验与理想实验有着不同的特征。

  

   一、思想实验的概念及特征

  

   1、思想实验

   思想实验,一般是指在特定的条件下,由于实际的科学技术手段的限制,尚无法直接物化,只能依靠科学原理,通过逻辑推论在思想中构建物质的运动及其规律的认识。

   首先,思想实验是按真实物化实验的规范展开的一种复杂的思维推理活动。马赫说:“思想实验的基本方法与物理实验相同。”(8)它是在物化的实验无法进行的情况下采用的一种特定的方法的科学研究;是与经验不矛盾,合乎逻辑规律的构想,是人类实践中尚不存在的实验。虽然结果是未经证实的认识,但一般在物化条件具备的情况下,它能在实践的科学活动中加以实现。

   其次,思想实验的主要过程和结果均以逻辑的形式表述或表达。

   在思想实验中,逻辑起着主导的作用。它引导、控制着想象思维。逻辑是想象的基本规范,想象从逻辑中获取创新的条件。两者有机的结合,揭示和表达着新的科学概念。这种活动过程,具体体现在以下方面:

   思想实验的“活动”记录不是物化实践的原始记载,是逻辑加工过程的表述;思想实验的复杂性和反复性,体现在逻辑的选择和思维推理证明与反驳之中;实验虽表达为新发现或新的理论结论,但还只是一种逻辑推理的结果。

   思想实验的本质在于以理论原理为依托,但也须借助于经验表象。它通过概念和逻辑思维与客观世界的本来面目相联系。表明,它以逻辑推理为主,但也包含经验的内容。因为,它揭示着获取自然信息的途径,引导人们推导新的发现。

   麦克斯韦在研究了法拉弟理论后,由高深的数学才能和丰富的想象力,经思想实验建立起电磁场的基本方程(即麦克斯韦方程组),揭示出电磁现象的本质和规律。它是表示场的结构的定律;说明电场和磁场相互联系和制约的规律。利用它可以算出电磁场的详细结构及其随时间的变化。我们可以从方程中得出,变化的电场会产生变化的磁场,变化的磁场又会产生变化的电场,并表现出波动的特性。麦克斯韦由此方程组推出了波动方程,求得了波的传播速度值正好是光在真空中传播的速率。这意味着,光波是一种电磁波。并由此确立起光的电磁理论。麦克斯韦的思想实验成果,只是在15年后,由赫兹通过共振器的实验得到电磁波之后,才被科学界所接受。

  

   2、思想实验的基本特征

   思想实验的特征,主要表现在以下方面:

   ①思想性。思想实验,全凭思维中的抽象和抽象运动形式展开。思维抽象,主要以逻辑推演为根据。离开逻辑思维,思想实验便无法进行,也不能得出科学的结论。思想实验的逻辑推演是在语言和数学中展开的。语言、数学和思维,通过逻辑将它们联系在一起,推动人们进行思想实验。

 

思想实验离不开联想和形象思维。它使人们由感性认识通过选择、提炼、重组等过程形象地联想出新的想象。其中,特别是,发挥形象思维的作用具有重要意义。

   ②可物化性。又称为可实践性。思想实验是产生在思维中的实验,但它并不与科学实践中的物质活动相背离,更不会与物化实验相抵触。就是说,尽管思想实验超越了实践的物化实验领域,但它仍与物化实验有着一定的关联。这是因为,人们在设计一个思想之前,总有其直接或间接的经验事实作为依托和基础。思想实验是人们在已有的基础上的不断探索,由此形成一个更深更远的认识。

   思想实验是逻辑范围内的活动,但又超越纯逻辑的过程。这是由于思想实验本身要求考虑客观经验的可能。思想实验的结果严格受到物化实验的检验。当其客观条件成熟,科技水准达到,思想实验的结论即可转化成物化实验。思想实验所提供的科学理论或信息应符合自然的本来面目,一经物化,即可成为科学技术的新发现或新创造。科学历史告诉我们,随意指望思想实验一出现就必有物化实验与之结伴或相随,是不现实的。

   ③超前性。思想实验是在人类尚无法进行物质实验之前就已存在。它表现为一种物化实验的超前性。

   科学研究是人类一种创造性的探索活动。任何实验都具有创新性的特征,思想实验也不例外。它完全可以设想科学实验尚未达到的认识境界,构想出有助于认识世界新图景、新规律的结论来。

  

   3、思想实验的类型

   由于实验成果作用的性质不同,思想实验存在以下几种类型。

   ①批判型。或称为否定性思想实验(9)。这种实验针对已有理论进行思维性论证,即通过证明与反驳,揭露现行理论的缺点、问题和错误,直至否定。

   ②变革型。或称为建设性思想实验(10)。通过这种实验,人们能在扬弃、变革旧理论基础上,产生质的飞跃,创建新的理论。

   ③综合型。或称为完善性思想实验。这种实验来自横向的多学科理论、原理、概念的综合。通过逻辑法则从中探寻新的机理和科学解释。综合型思想实验,须运用多种知识,由选择、提炼、重组等程序,方可达到成功的彼岸。麦克斯韦对光的电磁理论的建立,不仅具备了电场和磁场的知识,还掌握了两者相互联系和制约的规律,如果没有这些多方位的知识,电磁波的发现要从思想实验中获取是不可想象的。在某些情况下,思想实验的引起,往往开始于简单预想综合。但在思想实验中,所构想的目标和使用的知识都不是一般基础和单一的知识,而是至少必须掌握一类和相近学科的基本经验事实及系统的科学原理,方能具备思想实验的基本要求。

   思想实验的构想综合不是物化实验前对实验过程的综合预想。物化实验的预想是立足于从实践活动的必要和可能出发,不主要考虑逻辑的推演和制约,重要的是立足于实践环境和条件的可能。物化实验的预想综合,在一定程度上对构想有成效的思想实验来说,是一种必不可少的思维训练和进行抽象实验的准备,论其本质,它还没有具备思想实验的基本特征,也就不能称为思想实验。

  

   二、理想实验的概念及特征

  

   1、理想实验

   理想实验,指将实验过程或对象理想化,使理想化状态的规律无法在物化的实验中实现,与实践的关系只能是一种极限的近似值描述。理想实验排除了物化实验中无法排除的干扰,使得研究的问题在思想中达到高度理想化的目的。

   理想实验是逻辑思维与直觉、形象思维有机结合的产物;实验过程在理想化的前提条件下完成;突出的是事物理想状态,即在实践中并不存在的那种“规律”。所以,实验结果虽可以无限接近实际,但在客观实践中是无法实现的。著名的伽利略惯性实验就是重要的一例。伽利略发现,若摩擦力小到可忽略的程度,小球在从第一个斜面滚下后,就会沿着平面无限运动下去。但是,摩擦是无法完全消除的,所以伽利略的惯性规律的设想无法在实践中实现。爱因斯坦设想的双生子佯谬实验,卡诺热机循环实验等,都是理想实验。

   理想实验区别于理想模型。理想模型是通过高度抽象建立起来的描述理想客体的模型。自然科学理论所探讨的现象,不少是理想化的客体,如质点、绝对刚体、绝对黑体、理想气体、理想流体、理想溶液,等等。这些理想模型是客体原型一定程度上的理想化。理想客体模型是可以回归到原型的。不过,理想模型要回到现实原型,不能使用理想实验,只应由思想实验去转化。

   理想实验的规律性认识不是脱离客观实际的凭空臆造。论其本质,无论什么理想实验,都与物化的实验有着一定的联系。它是在物质实验基础上,突出主要问题舍弃非主要问题,并加以理想化的结果。

  

   2、理想实验的基本特征

   ①实验的形态特征

   现代科学运用理想化方法进行理想实验,往往需要使用理想化模型,这是实验理想化的一种表现。为了完成某些复杂系统的研究,区分事物的真象和假象,撇开事物外部的非本质的联系,暴露事物内部的本质联系,有时还需采取某种理想化的形式,使过程和状态理想化,这是理想实验的另一种形态。

   ②理想化特征

   如同物化实验必有对象物一样,理想实验也存在理想化的物。这种物不是实在的物体或物质,而是思想中设想的抽象物,通过理想实验对它进行特定的研究加工。

 

理想化条件。理想物一经进入研究的场所,必有与之研究相适应的理想化条件。离开理想化的条件,可以是实验,但不一定是理想实验。卡诺设想的热机循环,如果其系统不是封闭的,如果热量在传导中可以向外辐射,卡诺循环就不可能建立起来。离开这些环境条件就谈不上卡诺循环的理想实验。

   理想化运动。理想实验是逻辑与形象、联想等有机结合的思维运动。伽利略构想的惯性实验,只有在小球从第一个斜面滚下之后设想第二个斜面为一个无限延直的平面才有意义。这个过程又要求首先在理想的前提下进行。所以,它的形成有主有次,有先有后。

  

   三、思维实验与物化实验的同一性与差异性

  

   1、同一性

   首先,思维实验以实践为基础。它不是脱离科学实际的臆造。一方面,它要依据物化科学实践事实,以此为出发点和归宿。另方面,要依据经过实践检验的科学理论和原理。

   第二,思维实验过程,以一定逻辑推理为依据,但它并非纯逻辑的推理过程。思维实验最低限度要以近似现实存在状态为其推理的立足点。并且,逻辑法则也都是经过实践检验而确立的。

   第三,思维实验离不开形象思维。论其本质,形象思维与感性有不可分割的联系。它是人们通过感性获取的外界事物的形象,然后在创造激情的推动下,通过一系列想象、联想和形象类比,由此及彼地达到新的形象性的认识。

   第四,从本质上讲,思维实验与物化实验具有共同的属性。科学实验有自己的活动系统和实验过程。如实验要素、结构、功能和程序等。实验者依据设计预定目标,把各种物化要素依一定方式联系起来,在人为控制的条件下,探索自然规律,变革自然。思维实验也有自己的要素、程序、结构与功能;实验目标也是反映和揭示自然,发展人类科学理论。所以,思维实验是物化科学实验的一种必要补充和组成。

  

   2、差异性

   ①思维实验的作用方式不同于物化实验。它靠逻辑推演等思维活动逐步逼近而不是直接从实践中获取新信息。思维实验的主导方面是运用信息,从信息的相互关系中揭示矛盾,推论新的解释或新信息,但不变革自然。物化实验是运用物质条件,通过操作,直接观测新信息,变革自然。

   ②思维实验是思想性与“实验”性的辩证统一。正是由于它突出其思想性,才把它与一般物化实验区别开来。在科学发展的历史长河中,思维实验有过无与论比的作用。

   狭义相对论创立中,思维实验使隐藏在经典物理学中的矛盾暴露出来,爱因斯坦找到了产生悖论的原因,那就是隐匿在伽利略变换中的绝对时间观念。爱因斯坦说:“只要时间的绝对性或同时性的绝对性这条公理不知不觉地留在潜意识里,那么任何想要令人满意地澄清这个悖论的尝试,都是注定要失败的。”(11)由此,爱因斯坦认识到,破除时间的绝对性是建立狭义相对论的关键。此后,实现这一点的突破,也是通过思维实验——同时性的相对性的高速火车实验确立的。从相对性原理和光速不变原理出发,得出两个不同的参照系的时间“就不能再被认为是同时的事件了”。(12)在确立同时性的相对性的基础上,消除了同相对性原理和光的传播定律(光速不变)的抵触,狭义相对论顺利地构建起来。

   ③思维实验不同于物化实验,它不能成为检验客观真理的标准。判定物化实验可否成立的关键是它的可重复性。一个不能重复的“实验结果”是不能成立的。思维实验,获得的结果还只是想象的东西,不是物化的经验事实,不能认为可以成立,只有经过物化的实验、观测验证,才能被认定具有科学事实的内容和价值。爱因斯坦从思维实验中得到,星光经过太阳表面其偏转角是:1.75″。这个结论,只是当爱丁顿等人在实际地观测检验之后,才被认定是科学事实。在这里,前者是认识领域的问题,认识是不能用认识加以检验的;后者实验观测结果,才是判定真理的标准。

   ④思维实验是想象构建的,尽管物化实验仍需要想象,两者是不同的。想象是一种高度能动性的思维活动。想象本身不论在形式和内容上都是不受限制的。它可以在任何的领域和学科间建立联系。有些方面,单从经验事实出发,是难于、甚至是无法办到的。比如设想一个人以光速跟着光波运动的问题,在经验事实中就无法办到,可是,爱因斯坦在他的思维实验中塑造出来了。想象在物化实验中也是存在的,但它不等同于思维实验的想象。因为物化实验中的想象是具体的,受物质运动过程制约;思维实验的想象不受严格的制约,具有自由创造性,并且贯穿于思维实验的始终。物化实验立足于依据实际物化结果进行概括、归纳和总结;思维实验立足于想象结果概括、归纳和总结。引力质量和惯性质量相等是一项实验成果,爱因斯坦起于这一事实,由此推广,构想出一个加速系统等效于引力场的思维实验,敲开了通向广义相对论的大门。

  

   四、思想实验与理想实验的同一性与差异性

  

   1、同一性

   思想实验与理想实验都是抽象性的思维实验。它们都在已有科学实验事实基础上产生,都从科学理论中思索和探讨问题。

   思想实验与理想实验的主要工具,都是人的大脑;实验过程都是依据于已有概念、原理,由逻辑推演研究获取结果;所得的一切结果都需要经过物化实验的检验。

  

   2、差异性

   ①思想实验依托的科学原理,是科学抽象上升的一般。这种科学原理,是对实际的科学抽象,从个别上升到的一般,即由个性上升到的共性;揭示的规律是客观实际存在的现象。理想实验则与之不同。通过“实验”理想化上升的规律,不是客观实际存在的现象,不能物化为现实客观实际。两者不应等同起来看待。

   麦克斯韦构建的光的电磁理论,预言电磁波的传播速度,它符合客观实际,是一种思想实验。人们在水力学研究中,把水视为绝对不可压缩、不能膨胀、没有粘滞性、没有表面张力的液体,由此建立的欧拉液体平衡微分方程,是一种理想实验。在电磁振荡中,把振荡理想化为无阻尼自由振荡,也是一种理想实验。它们应用于实践存在一定局限。

 

   ②思想实验与理想实验确立的前提,实现的目标、科学价值及社会意义都有差异。

   思想实验确立在科学原理之上;理想实验建立在理想化的前提之下。思想实验结果,由于符合客观实际,存在明显的适用价值,对自然科学发展意义重大;理想实验的描述,虽不是客观实在,但对克服物化实验局限,促其向理想化方向发展和飞跃,具有十分重要的意义。

  

   五、思想实验和理想实验的作用及其区分的意义

  

   1、作用

   思想实验与理想实验,作为一种研究方法,是有其一定功能和作用的。

   ①思想实验可以开拓新的研究方向,成为科学发现与技术发明的先导。

   在科学史上,有过不少运用思想实验对旧理论进行质疑的事例。质疑的提出已是一种“成果”,它为人们开辟新的研究方向发挥了作用。上世纪末本世纪初,从修补经典物理理论转而变革绝对时空观,来自爱因斯坦思想实验的构想。

   ②思想实验、理想实验可以构想物化实验尚未到达的科学境地。

   在过去的科学发展中,一般是物化实验走在理论的前面。可是,在一些情况下,特别是在现代,有的理论构想已远远走到了科学实验的前面。这种趋势的发展,主要是人们运用思维实验将现有实验条件及其确立的理论水平向前引伸了,超越一定条件的科学实践。狭义相对论、广义相对论的观察实践,是在其理论指引下,人们才逐渐实现的。当代,人们在航天技术的研究中,为了建立没有重力的“空间”实验室,采用惯性离心力平衡地球引力的实验,则是质量等效原理的实践应用。

   ③理想实验在高度理想化中,使逻辑证明与反驳更加明了、直观。

   理想实验可以把人们需要认识对象的某种属性或联系表象为理想化的形态,在完美的意义上抓住问题的要害,将隐藏在错综复杂之中的本质予以最简明的揭示。它有助于人们对研究对象更直观地显现出思想中的具体。建立惯性定律的实验,就具有这种作用。

   思想实验、理想实验在使用中也存在随机性。因为它们都具有自由特性。因此,既可以成为具有独创性的想象,也可以是不合实际的臆测。如在第六届索尔维物理学会议上提出诘难海森堡测不准关系的光子箱实验就是一例。爱因斯坦试图证明,可以同时测定光辐射的时间及其能量。爱因斯坦在构思光子箱实验中,竟然忘了由他自己确立的在引力场中,时钟会延缓的效应。

  

   2、正确区分思想实验、理想实验的意义

   思想实验与理想实验虽同属抽象的思维实验,但它们之间又有着不同的特征和作用,混淆两者关系,客观上就势必会造成科研的盲目性,使研究者无所适从,甚至会给科学技术发展带来不利影响。科学史上,在思维实验构想中对两者不加区分不乏其例。如超导问题,在未实现以前,普遍认为电阻为零的现象是一种不可能实现的理想化状态。这种认识,在一定程度上一度影响了对它的实践探索。又如爱因斯坦和英费尔德曾构想了一个“单电子衍射”实验,但又说:“这是一个理想实验,事实上不可能实现”(13)。但事与愿违,这一构想后来为前苏联科学家通过物化实验获得了成功。

   我们如果坚持具体问题具体分析,以经受实践检验的科学原理为指引,即可清楚判明一种设想究竟是思想实验还是理想实验。这样,便能使人们在具体使用思想实验和理想实验中少走弯路,从而有利于促进科学技术的发展。

 

参考文献:

 

 

(1)(9)(10) International studies in The philosophy of science,1986.1.

 

 

(2)(3)(11) 《爱因斯坦文集》第1卷,商务印书馆,1979年,第409页,第314页,第24页。

 

 

(4) 梅森:《自然科学史》,上海译文出版社,1980年版,第40-41页。

 

 

(5)(8) Ernst Mach,On Thought Experiments in Philosophical Forum,Boston University Press,Vol.4,No.3PP.451-457,P.435,1973.

 

 

(6)(13) 《物理学的进化》,上海科技出版社,1962年。

 

 

(7) T·S·库恩:《必要的张力》,福建人民出版社,1981年。

 

 

(原载《科学技术与辩证法》1995年第2期)