34 思想实验

　　3601　思想实验

　　在前面，我们介绍过科学家奥斯特。

　　奥斯特所说的：“我不喜欢那种没有实验的枯燥的讲课，所有的科学研究都是从实验开始的”。是不是有些绝对呢？在众多的科学家中，爱因斯坦似乎是个例外。爱因斯坦一生中没有亲手做过科学实验，但他在科学上的贡献却无人能够企及。如何解释这个独特现象呢？其实，爱因斯坦本人也意识到了这个问题，因此他很早就有一个说法，将“相对论”的理性思辩，称为是“思想实验”。并说：“理论的真理在你的心智中，不在你的眼睛里。”如何理解此言？早在2600年前，中国人就学会了拔火罐。拔火罐绝对使用了大气压原理。但你能说中国人那时就已经发现了大气压力了吗？尽管它是那么像一个演示大气压力的实验。这是一个非常典型的例子：你虽然重复了数千年的“大气压的演示实验”，但在缺少科学的心智状况下，即使眼睛一遍遍看到，“理论的真理”仍然不可得。爱因斯坦用这样一句话，说明理性科学的重要。虽然人们的认知要根植于真实的存在，但基于存在引申的思想确是更为重要的东西。这就是哲学家的“我思故我在”。在这样的寓意之中，爱因斯坦提出了“思想实验”这样一个概念。他揭示了这样一个事实：科学家无需物质的实验过程，也可以成功地建树科学理论。这与人们习惯的认知有很大的不同。与科学的发展史所表述的情形似乎也不契合。但因为之前我们已经讨论了这个问题，所以我们完全可以理解“思想实验”的本质。“观察”具有的认知的两个方面，即感知存在和理性思考。而且人们知道古典的哲学或自然哲学注重基于理性的推理，而现代科学则侧重基于观察的思考。在杨振宁教授的例子中揭示了科学家存在着多种合作，如一些科学家完成观察下的资料集成，而另一些科学家完成这些资料的整合并提出新的见解。后者有可能不去做前者的工作但仍能获得骄人的成就。爱因斯坦就是此等情况。但他不是唯一的践行者。

　　伽利略作为实验大师，他其实也意识到了思想实验的存在。曾经提出：如果“没有实验，我确信结果也会像我所告诉你一样发生，因为它必须以那种方式发生。”换言之：思想实验可以产生一个无须通过物化实验得到结果。法国科学史家亚历山大·柯瓦雷意识到这是科学研究的另一种贡献，要求我们承认伽利略的功劳，是他使我们认识到利用思想实验，从而省去做实际实验的成本。

　　2000年前，亚里士多德断言自由落体速度与物体的质量成正比，即质量越大，下落速度越快。为了反驳这一论断，伽利略构造了一个简单的思想实验。他在1638年写的《两种新科学的对话》一书中指出：

　　根据亚里士多德的论断，一块大石头的下落速度要比一块小石头的下落速度大。假定大石头的下落速度为8，小石头的下落速度为4，当我们把两块石头用绳子拴在一起时，下落快的会被下落慢的拖着而减慢，下落慢的会被下落快的拖着而加快，结果整个系统的下落速度应该小于8。但是按照亚里士多德的理论，两块石头拴在一起质量加大，下落的速度应该是84才对。在质量不变的情况下。出现了快慢不同的两个结果。亚里士多德的理论陷入了自相矛盾的境地。

　　伽利略以这种方式否定了亚里士多德的落体定律之后，另一位科学家斯台文作了一项实验，结果伽利略的思想实验被证明有效。斯台文写道：

　　“反对亚里士多德的实验是这样的：让我们拿两只铅球，其中一只比另一只重十倍，把它们从三十尺的高度同时丢下来，落在一块木板或者什么可以发出清晰声响的东西上面，那么，我们看出轻铅球并不需要比重铅球十倍的时间，而是同时落到木板上，因此它们发出的声音听上去就像是一个声音一样”。

　　当今时代，伽利略的这个思想实验被誉为十大“思想实验”之一。

　　伽利略的实验大多数就是思想实验，历史已经证明他并没有从比萨斜塔上同时扔两个铁球来证明亚里士多德的错误。

　　当代人们怎样理解“思想实验”？

　　来看看相关学者的观点：

　　思想实验是一种在人的头脑中进行的理性思维活动，这种思维活动按照实验的格式展开，所以也称为“实验”。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，它通过概念和逻辑与客观世界的本来面目联系，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，引导人们产生新的发现。思想实验经常被当作理想化的产物，如讨论一些东西如何在没有摩擦力的平面运动，根本不需要实验就可以得出，因为它只涉及到计算。

　　在上述基础上，有人谈到了思想实验与物化实验的区别：

　　思想实验与物化实验前对实验过程的构想不同，物化实验前的构想是立足于从实践活动必要和可能出发，并不主要考虑逻辑推演的制约，重要的是立足于实践环境和条件的可能，思想实验需要运用理论、计算、逻辑证明、猜测，甚至有时是实验者个人的偏见来完成，它遵从物化实验的规则，但同物化实验相比，有自身不同的特征。

　　进而相关学者指出：

　　思想实验的建构是思想实验整个过程中最为关键的环节。这个环节揭示了被研究事物的内部规律。建构一个思想实验并不是任人天马行空去建造空中楼阁，必须依靠人们所熟知的并被普遍接受的经验数据，经过严密的逻辑分析来完成。思想实验的建构也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。

　　在涉及到“思想实验”的科研作用时，美国科学哲学家库恩认为：

　　思想实验是增进人类对自然的理解偶尔有效的工具。

　　恩格斯在劳动创造了人的相关著述中，有一段名言：

　　“我们要考察的是专属于人的劳动。蜘蛛的活动与织工的活动相似，蜜蜂建筑蜂房的本领使人间的许多建筑师感到惭愧。但是，最蹩脚的建筑师从一开始就比最灵巧的蜜蜂高明的地方，是他在用蜂蜡建筑蜂房以前，已经在自己的头脑中把它建成了。劳动过程结束时得到的结果，在这个过程开始时就已经在劳动者的表象中存在着，即已经观念地存在着。”

　　在此，“思想实验”似乎与恩格斯的论述产生了联系。我们可以理解“思想实验”最本质的东西原来在这里，就是“观念地存在着”的一种智慧的表达。它的存在证明伟大的头脑还可以用一种特殊的方式揭示某种客观的存在。

　　早于爱因斯坦提出“思想实验”一词的是奥地利人恩斯特·马赫（年）他在《认识与谬误》（洪佩郁译）一书中有对“思想实验”的专门论述，甚至还单独写了一篇《论思想实验》的论文。他这样定义思想实验：指在特定的条件下，依靠科学原理，通过逻辑推论在头脑中实施的实验活动，它按物化实验的格式展开，主要过程和结果均以逻辑的形式表述。它是在物化实验无法进行的情况下采用的一种特定的科学研究方法。虽然其结果是未经证实的认识，但在物化条件具备的情况下，能得到科学实践的检验。并认为“思想实验的基本方法和物理实验相同。”

　　恩斯特·马赫大概是追踪探讨“思想实验”的第一人。他是一位偏重理性思维的哲学家同时也是著名的物理学家。

　　早年对马赫思想十分推崇的爱因斯坦，在1917年春致贝索的信中对马赫哲学表示不满，并在1922年4月（时年43岁）访问法国时对马赫哲学进行了公开批判。爱因斯坦认为：

　　1马赫或多或少地相信科学仅仅是对经验材料的整理，他没有辨认出在概念形成中自由构造的元素。

　　2马赫哲学不可能生出任何有生命的东西，只能扑灭有害的虫豸。　　3马赫的思维经济有点太浅薄、太主观。

　　4马赫不仅把感觉作为必须加以研究的唯一材料，而且把感觉本身当作建造实在世界砖块，从而否定了物理实在这个概念。

　　5马赫是一位高明的力学家，拙劣的哲学家。

　　这件事因为发生在马赫去逝后的第六年，因此他本人也就无从知晓了。虽然两人的哲学分歧很大，但在“思想实验”这一概念上，两人的思维产生了融合，因为在对“思想实验”的思考时，他们保持了观念一致。

　　事件的构成具有多种可能性。哲学认为很少有单一线性的情形。在实验科学领域也是如此。当人们意识到用实验的方法可以获得存在的未知状态时，如化学中我们已经提及的石蕊试纸的实验。实验方法就成为了主流方法，成为人们从事科学研究的共识。其目的是为了从人为构建的某种方式中获得对应的结果。如用仪器在天文条件具备时测量光的弯曲。这种结果或者是预期的，或者是完全未知的。但人们总是希望相对应的事件能够产生。有一种情况是个例外。如果你不去实施这个实验，你只需通过演绎、推理或从头脑中构建的虚拟的场景中就可以确认某个结果，那么你就可以免去在实验室的操作。这就是“思想实验”构成情形。实验科学的一般模式是由观察到思考到理念，“思想实验”则省略了观察中的物化因素。因此它可以视为实验科学中的一种特殊存在。正因为这个原理，马赫才会说“思想实验的基本方法和物理实验相同。”

　　有一种类似的解释是：

　　思想实验同物化实验一样，也由实验者（主体），被研究对象（客体）和作为终结的实验仪器设备等三部分构成。只不过，在思想实验中被研究对象和作为“中介”的仪器设备等已经不是实在的物质客体，而是变成了“思维客体”，也就是思维中的抽象物。实验过程是实验主体的人借助这些思维“中介”对“思维客体”进行“操作”和“观察”，逻辑地导出结果。

　　算是另一种方式的更为专业的表达。

　　我们希望从特殊到一般，来进一步理解“思想实验”。如上讨论所涉及的，它在小众的群体中偶尔加以应用（因为成功的“思想实验”也需要多年的思考才能形成），我们不妨称之为“狭义的思想实验”。但是如果人们仔细研究当前流行的“十大思想实验”，会看到它们几乎都有一个共同的特征：

　　1它似乎是一个故事，有虚拟的场景和情节，或者是一个虚拟的事件，并能可信地成立；

　　2它能构建一个逻辑关系式或逻辑关系圈，无论怎样，你必须在给定的逻辑条件下做出判断；

　　3具有明显的类比推理特征，暗喻实验性的结论。

　　以上给出的3个特征，非常有趣。把小众的东西变得可以为大众所用。而且人们“思想实验”的表达方式也不再单一，它似乎可以借鉴更多的方式。因为一篇小说，一副绘画，一个寓言，一个构想，我们都有理由认为它们是广泛性质的“思想实验”。

　　为了区别小众的只在实验科学中流行的“思想实验”，也不妨把它称为“广义的思想实验”。其间，类比推理起到了融通的作用。人们可以从一个领域的规律，悟出另一个领域类似的规律。甚至我们还敢断言，“广义的思想实验”不是从“狭义的思想实验”中来，而是后者从前者那里获得灵感的。或言之是从人类认知的共有规律中抽离出来的。

　　爱因斯坦当之无愧的是，在科学探索的进程中，他将思想实验推举到了一个人类认知的顶峰。他为人们演绎了精彩绝伦的科学故事。

　　恩斯特·马赫则清醒地知道，物质实验与思想实验的关系，是印证与被认证的关系。即思想实验的成果终究还要靠物质实验来检验。

　　也许是有意难为马赫，在十大“思想实验”中，有个“猴子实验”则永远无法用物质实验来检验。这就是猴子和打字机的“思想实验”。被称为是“无限猴子定理”，也叫做“猴子和打字机”实验。

　　如果无数多的猴子在无数多的打字机上随机打字，并持续无限久的时间，那么在某个时候，它们必然会打出莎士比亚的全部著作。

　　有人对这一推断产生了极大兴趣，于是：

　　2003年，一家英国动物园的科学家们"试验"了无限猴子定理，他们把一台电脑和一个键盘放进灵长类园区。可惜的是，猴子们并没有打出什么十四行诗。根据研究者观察，它们只打出了5页几乎完全是字母"s"的纸。

　　尽管这样科学家仍充满信心地解释说：人的大脑很难想象无限的空间和无限的时间，无限猴子定理可以帮助理解这些概念可以达到的宽度。猴子能碰巧写出《哈姆雷特》这看上去似乎违反直觉，但在数学上是可以证明的。这个定理本身在现实生活中则是不可能重现的。

　　猴子和打字机的设想在20世纪初被法国数学家emile　borel推广，人们认为“猴子和打字机”定理是用来描述无限的本质的最好方法之一。但有人指出这并不新鲜，其基本思想可以追溯至亚里士多德。亚里士多德在他的哲学思想中，就有无数多的人员和无数多的时间能产生任何所有东西这样一个臆想。本人对“无限猴子定理”保持怀疑态度，因为亚里士多德的猜测其前提是居于逻辑的可行性之中的，而“猴子和打字机”则不构成逻辑事件，因此在无限中一切皆有可能，实则是不可能的。如果说无限多的土豆在无限长的时间里的某个时候有可能长出犀牛角来，你信吗？如果有数学家宣布这个可以由数学来证明是成立的，这样的数学你又能相信吗？人们可以模拟“无限猴子实验”来做一个“无限外星人实验”。因为宇宙是无限的，因此有外星人的可能性也是无限的，因为外星人是无限的，因此他们造访地球的可能性也是无限的，那就意味着地球人天天都有可能见到外星人的造访。但事实是怎样的呢？难道外星人的无限与宇宙的无限是两个不同的无限，还是有一个无限是根本不存在的？

　　世界就是如此奇妙。它确实存在一些物质实验无法求证的命题，这个时候思想实验就成为唯一的方法。人类古老而经典的思辨哲学就有了新的用途。但是关心这类命题的意义在哪里，这是人们首先要考虑的问题。否则，他很可能成为自娱自乐的思想游戏。

　　有人从认知限制的角度来指认思想实验，认为：

　　在科学日益发展的今天，我们的认识活动越来越远离日常的直观经验和直觉，科学研究活动所需的仪器设备日益纯化、理想化，物化实验有时无法满足科学发展的需要，运用思想实验进行科学研究就成为一种必然。

　　有道理但只是一方面。从思想实验的历史存在来看，它似乎与实验技术没有大的因果关系。作为一种理性思辨的特殊形式，它实际上已经在思维世界被运用了数千年了。只是成就没有达到爱因斯坦的高度而已。如柏拉图《理想国》中所描写的“洞穴”里的场景，实际上就运用了思想实验的方式来阐述他的哲学思想的。对某些思想者来说，思想实验也许是他们更擅长的方法。但其中的条件是：与现代科学相结合的方式才更具有“实验”性质。与思想实验非常类似的例子还可以出示一个，虽然它和“思想实验”毫不沾边。

　　鲁迅先生的文字以犀利著称，他在《呐喊》的自序中，无意之中给出的思想实验是这样的：

　　“假如一间铁屋子，是绝无窗户而万难破毁的，里面有许多熟睡的人们，不久都要闷死了，然而是从昏睡入死灭，并不感到就死的悲哀。现在你大嚷起来，惊起了较为清醒的几个人，使这不幸的少数者来受无可挽救的临终的苦楚，你倒以为对得起他们么？”

　　它引向了非科学命题的思考。结论大概是悲观的：既然如此，何必再增加不幸者的痛苦呢？但鲁迅笔锋一转，却给出了如下思考：

　　“然而几个人既然起来，你不能说决没有毁坏这铁屋的希望。”结合旧时代的社会背景，这个思想实验是沉重的，也是深刻的。它的指向虽然并非自然科学，但与人们所说的思想实验何其相似！

　　以上的例子，旨在说明“思想实验”可以在更广阔的意识领域得到应用。而能像爱因斯坦那样应用于科学探索，并获得创世级的成就，决定性的因素不是思想实验的形式本身，而是源于基于存在的深层思索。

　　在《曙光集》一书中，杨振宁有一节关于理论物理的方法的著述。话题是围绕着爱因斯坦展开的。通过杨振宁的介绍，我们知道爱因斯坦在1933年一个叫“赫伯特。斯宾塞”的讲座中，曾作过相关的演讲。杨振宁认为讲演的某些片段令人注目，我们也不妨援引至此：

　　理论物理的基本假设不可能从经验中推断出来，它们必须是不受约束地被创造出来。。。

　　经验可能提示某些适当的数学概念，但可以非常肯定地说，这些概念不可能由经验演绎出来。。。

　　但创造寓于数学之中。因此，在某种意义上我认为，单纯的思考能够把握现实，就像古代思想家所梦想的那样。

　　一般的观点是：理论物理基于实验而产生，或者再回到实验中去检验。爱因斯坦的提法似乎与此不太契合。他明显地排斥经验性的认知，不认为实验有多么重要。但是，从杨振宁继而又引用的爱因斯坦的另一段话中，我们产生了更大的费解：

　　物理学本身也分成了许多独立的领域，其中每一个领域都可以消耗我们短促的一生的全部精力，还不一定能满足我们获得更深奥知识的欲望。在这里，大量彼此间无联系的实验数据也是人们难以招架的。可是在这个领域中，我很快就会从一大堆充斥我们的头脑、分散我们对本质事物注意力的东西中，分辨出哪些可能导致根本性的结果，而置其他于不顾。

　　这段话我们可不可以理解成爱因斯坦的思考，是基于实验的理性的一种升华呢？如果你对照“理论物理的基本假设不可能从经验中推断出来，”二者又有什么指意上的不同呢？还是已经表露出二者有自相矛盾的情形？

　　显然，杨振宁有选择地又引用了爱因斯坦的另一段话：

　　另一方面，必须承认，如果一个理论的基本概念和假设接近于经验，他就具有一种重要的优越性，人们对这样的一种理论自然就有更大信心。尤其因为用经验去反驳这些理论既省时又省力，所以被完全引入歧途的危险性就比较小。然而，随着认识的深入，我们要寻求物理理论基础的逻辑简单性和一致性，因而我们要放弃上述的这种优越性。

　　这段话增加了人们的疑惑。爱因斯坦好像要说明理论要在实践中检验与求证，但话锋一转，又说欲要获得更广泛的联系，人们就要放弃经验的陪伴。他似乎承认理论与经验存在某种认知关系，最终却让人们远离理论与经验相伴的这种状况。杨振宁猜想爱因斯坦的想法必定基于某个理由，于是他再次引用爱因斯坦的话，给出了这个理由：

　　一个理论科学家就越来越被迫让纯数学的、形式的思考来引导他。。。这种理论家不应该斥之为空想家，相反，他应该有自由想象的权力，因为，要达到目的的，别无他法。

　　如果爱因斯坦是一个普通人，他的上述所说或许早就会被人遗忘。但这些观点出于爱因斯坦之思想，则的确需要人们潜心驻足仔细得想一想了。本人确实对此进行了思考。在多次阅读和理解之后，我似乎有了答案。

　　（1）爱因斯坦在强调理性思辨的作用。这与亚里士多德的观念类似。亚里士多德认为某些门类，如逻辑学，无需知觉与经验，理性思辨即可以建树相关的理论。爱因斯坦与亚里士多德有相通的意识灵感，源于他们都有共同的超凡的天赋。爱因斯坦的成功确实更多的依赖于理性思辨而不是实验观察。他们奉献的精神产品见证了思想的力量。这是可以引以为傲的地方，他们达到的思维极限是普通人所不能的。

　　（2）同时，他又不认为推理是必要的或是唯一建树理论的方式，他不愿被已有的思维模式所束缚，强调创造，强调想象的自由，认为创造是扩展知识疆土的根本的因由。至此人们就似乎明白了，为什么爱因斯坦对马赫的科学哲学的批评那么不留情面。说马赫哲学不可能生出任何有生命的东西，只能扑灭有害的虫豸。根本原因是马赫忽略了科学生长最根本的具有生命力的东西，思想的创造力。我们在本书中已谈到实验的“观察”是两个方面，一是感知，二是思考。显然，爱因斯坦所说属于思考部分。而且认为创造性地思考才是跨越至知识新境界的桥梁（他应该有自由想象的权力，因为，要达到目的的，别无他法）。　正因为这样，爱因斯坦才会说马赫是一位高明的力学家，拙劣的哲学家。从爱因斯坦批评马赫的激进态度，可以得知思维创造性在爱因斯坦心目中的圣神地位。看世界万千变化，创造是世界变化的源泉。

　　（3）与亚里士多德不同，爱因斯坦赶上了数学而非神学时代。他与其他著名科学家一样，感受到支配万事万物的不是隐形的上帝，而是数学。爱因斯坦认为自己的数学不算太好。但这并未妨碍他用数学表达自己深邃而奇异的科学思想。这个时候，正如爱因斯坦所说“我们要寻求物理理论基础的逻辑简单性和一致性，因而我们要放弃上述（接近于经验的概念或假设）的这种优越性。”爱因斯坦坦言他用了十几年的时间意识到了数学的重要。所以他说：“一个理论科学家就越来越被迫让纯数学的、形式的思考来引导他。。。”说到数学，不能不多说两句。数学是在生产斗争中产生和发展的。首先它是一门应用数学，后来因为代数、微积分等的被发现，而独立成为一门抽象而特殊的科学。成为可以进行数学演算和推理而能成立的科学。正因为这样，科学家似乎可以隔山打牛，在远离实验室的办公桌前，通过草纸的演算就可以进行科学研究了。

　　（4）但是研究者是否真的就可以不接受外来的信息了呢？通过爱因斯坦所说，我们知道他的智慧虽然与古老的智慧相通，但思想并未停留在古老的过去，他的因为“思想实验”而调动的听觉、视觉或者第六感觉等（即哲学所说的知觉）毫无疑问地是建立在现代实验认知之上的。他非常坦诚地告诉人们，在物理研究方面他本人有分辨有用与无用知觉的能力。总之，认识的基础是现代的。杨振宁在谈到电子自旋时说过这样一句话：“当我们在物理里面做了一段工作后，有这样一种倾向，即忘掉了我们正在研究的事物的全面含义。对远景的洞察被淹没在眼前问题之中，我们可能对先前的重要的问题变得盲无远见。”这可能中了一句古诗“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。所以，爱因斯坦所说的那种能力就显得尤其重要了。可能因为这种能力，他的思想实验才产生了异乎寻常的效果。

　　对思想实验的广义的理解可以从马赫那里找到源头。


　　(https://www.biqudv.cc/113_113560/6147470.html)


1秒记住笔趣阁：www.biqudv.cc。手机版阅读网址：m.biqudv.cc