思想实验的特质及其认识论意义，本文主要内容关键词为：认识论论文,特质论文,意义论文,思想论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
思想实验就科学认识论领域来说是一个既历史悠久又方兴未艾，既为历来众多杰出的科学家所广泛采用，又在思想和技术层面上不尽成熟，其认识论意义未得到很好揭示的范畴。说其古老，早在自然科学的萌芽时期，阿基米德就曾在研究面积和体积时采用过“思想上的实验”，他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（参见梅森《自然科学史》第40页）。谓其广泛、重要，缘于从爱因斯坦、玻尔、薛定谔到霍金，思想实验在众多现当代著名科学家那里都得到了高度重视和充分的运用，在当前不断向微观和宏观领域进军的科学研究中思想实验更显得重要、不可或缺。叹其不成熟，在于不论是传统哲学认识论教义，还是现代西方科学哲学学说都未对其内涵、特质，尤其是认识论意义进行充分的总结、概括、提升，这或多或少影响了科学家对这一方法的自觉应用，也使科学认识论的理论完善性受到了冲击。本文拟就此作一粗浅的探讨。
一 思想实验的内涵与特质
（一）我们认为，所谓思想实验是指科学认识主体运用创造性思维，在思想中用主观设计的实验对象代替现实的客体，并对之进行操作、观察、分析，以期获得某种规律性认识的过程。
思想实验在爱因斯坦那里被称为“理想实验”。人们大多沿袭这一说法，但未对思想实验与理想实验二者作区分。我们认为，思想实验是一个含义更宽泛的概念，理想实验可以看作一种特殊的思想实验。即它的实验设备、仪器、对象不仅是想象出来的，其实验要求的环境、参数、仪器精度等也都是高度纯化、理想化的，在现实条件下不可能达到。比如物理学中的无任何物质存在的“真空”，化学中的“理想气体”等，因而理想实验不可能在实际中进行。而思想实验则部分地具有实在化的可能。比如伽利略的关于自由落体和惯性定律的两个思想实验，其中的惯性实验由于需要斜面无任何摩擦，且斜面无限长，这实际上不可能达到，因而是理想实验，是不能付诸实际操作的；而关于自由落体的思想实验，其精髓在于缜密的逻辑推理，对实验设施无精度上的苛求，因而可以通过比萨斜塔实验现实化。因此我们认为理想实验与思想实验是有区别的，可以把前者看作后者的一部分。
（二）思想实验简而言之就是在思想中进行的实验，显而易见，它首先具有思想性和实验性两个方面的特征。
1.思想性，即思维特征。思想实验与普通实验的一个显著而本质的不同就在于其思想性特征。正是由于思想性，才使思想实验与实际实验区分开来，也才使它具备了实际所不具备的特殊优势。
首先，思想实验的设备、仪器和对象都是实验者主观设计的，实验过程也只在实验者的思维中进行，实验主体如果不主动加以揭示，那么这一实验设计、过程和结果都将不为人所知，也不会在现实世界留下任何印记。这实际上极大地提高了实验的可错性和可重复性。因为如果出现程序设计错误，可以重新设计和调整；出现仪器、工具的遗漏可以瞬时补充；整个实验根据需要可以无限度地重复进行。所有这些使得思想实验的实际代价为零，尤其是一些具有破坏性、损伤性的过程，更能通过思想实验无所顾忌地进行。
其次，既然思想实验中的仪器、设备、对象都是想象的产物，那么其操作过程也只能是一个逻辑推理过程。最具典型意义的实例就是伽利略关于自由落体的思想实验。伽利略用令人信服的逻辑推理，通过思想实验推翻了亚里士多德从感觉经验得来的重物比轻物先落地的貌似正确的权威论断。伽利略采用了归谬法的反驳方式。他先假定亚氏的论断正确，即两个不同重的物体从同一高度同时下落时，重物A将比轻物B先落地。循此，伽利略进一步设想，假如将原来的轻物B加到重物A上面，组成物AB，再重复同样的过程，那么此时AB应比A先落地还是后落地呢？ 从一方面看，AB重量大于A，按照重物下降快的逻辑前提，显然AB 应先落地；但从另一方面看，由于将轻物B连到了重物A上面，A 的下降速度势必受到B的阻滞，则它们的平均降落速度应该小于A的降落速度，因而应比A后落地。这就推出了既是又非的两个矛盾的结论， 这显然是荒谬的，因而根据充分条件假言推理的“否定后件就要否定前件”的规则则可推出假设的前提是错误的，也就是说并非重物比轻物先落地。伽利略继而通过一系列实际实验，得出了著名的自由落体定律。由此可知，在思想实验中，逻辑推理实际上起到了组合实际对象与仪器、工具，构建实验环节，为实验提供理性保障的作用，它是思想性的基础。
2.实验性，也即实验特征。我们知道，所谓实验，一个起码的前提和条件就是有实实在在的仪器、设备、装置以及承受其作用的实验对象，或者要有实际的观察、测量过程。思想实验并不具备上述要素，它归根到底是一种思维模拟和逻辑推演过程。但是思想实验又根本不同于一般的想象、假想、猜测、思辩，也不是纯粹的逻辑游戏，而是有明显的实践特征。
（1）思想实验的设计、 运作及其成功与有效与否有赖于实践基础上的经验性条件。科学家在设计一个思想实验之前，总是进行了多方面或多种形式的实践，具备这一设想的客观基础。正是来自实践的基础和目的，促使人们不断地去探索，形成一些更深刻、更有远见的思想并赋予实验的形式，这就是思想实验。因此，思想实验不是一个只与概念相关联的纯逻辑推理过程，它包含有经验性条件，库恩称之为“潜在的实验条件”或“物理似真性条件”。它虽然不是真实的物理条件，但它力求近似于现实存在的状况，并且可以根据先前的以及日常的经验可靠地预见到实验的结果。这正是思想实验之所以具备实践性的基本条件。
对此，我们可以回顾一下卢瑟福运用思想实验建立原子结构模型的过程。我们知道，直到19世纪末以前，原子作为构成物质的始基，其不可分、不可入的观念已深入人心，在缺乏实验条件和观念条件的情况下，谈原子的内部结构显然是不可想象的。直到1895年伦琴发现了X射线， 1896年贝克勒尔发现了天然放射性，1897年J.J.汤姆逊发现了电子，才使得一部分头脑灵活、思维深邃的科学家意识到，摆在物理学面前的最重要最有意义的工作，便是搞清楚原子的内部结构。这可以看作是卢瑟福建立原子结构模型的一个经验性条件，换句话说，卢瑟福并不是凭空想到要去探索原子内部结构的，没有实际经验为基础，再聪明的头脑也闪现不出天才的灵光。在接下来的实际实验中，卢瑟福用a 射线轰击金属箔片，其结果是其中的极少数a粒子被反弹回来， 落在事先准备的荧光屏上。这一现象引起了卢瑟福的注意和思考。因为这一现象与已有理论相矛盾，这就是汤姆逊关于原子结构提出的“葡萄干蛋糕”即“布丁”模型。然而事实如果是这样的话，如此大质量的a 粒子毫无疑问能够全部穿过“靶子”直线前进，这又如何解释极少数粒子被反弹回来的现象呢？正是已有经验与实际结果的矛盾，促使卢瑟福运用创造性思维，在思想中设计出一幅以太阳系星体结构为蓝本的原子结构模型，那能够使a粒子反弹回来而又体积极小、 质量极大的原子核自然就是这一“太阳系”结构中的“太阳”了。由此可见，已有的经验条件对于思想实验有着巨大的启示、助产作用。
（2）思想实验中涉及到的实验仪器、 设备和实验对象并非纯粹的空想甚至幻想，而是有着各自的实践依据；由逻辑推理串接起来的实验程序和操作规则也是在实际经验和理论指导下的产物，因而思想实验具有与实际实验活动系统相同的组成要素、结构和运作程序。它与神话故事般的纯主观发挥有着本质的区别，其实践性是勿庸置疑的。当然，思想实验中的理想实验由于所需实验环境、条件、参数、实验仪器、设备精度的极限化要求，其实验过程不可能全部现实化。比如“理想气体”的获得，又如爱因斯坦追光实验中近光速和等光速运动的实现等，这些从当时以至现在的科技水平来看都是不可能达到的，是否就应把它们归入幻想之列而取消其科学性呢？我们认为，犹如科学实验本身是在“自然过程表现得最确实，最少受干扰的地方考察自然过程的。或者……是在保证过程以其纯粹形态进行的条件下进行”的（《马克思恩格斯选集》第2卷，206页），它是对自然现象的“提纯”一样，理想实验则是对实验的“再提纯”，它不是纯粹的思维游戏，它的实践性由思想实验本身的特质予以保证。同时，随着科技的进步和实验水平的提高，我们完全可以无限逼近理想实验所要求的精度。从极限的角度看，这实际上是实现了原初的理想实验。
（3 ）从第二点我们可以进一步看到思想实验的实践性还在于它在一定条件下能够成为实际实验和技术发明的先导。作为一种思维设计的思想实验，检验其效应和价值的最终判据自然是其过程能否在实际实验中再现，但是由于思想实验一定程度上的理想性，使得某些过程的实现时间大大地延后了。20世纪初，爱因斯坦设计了关于时间“同时性”的相对性的思想实验，由于当时科学技术条件（如高速运动的力和物质材料等）都未具备，这一思想实验不可能现实地进行。直到1971年，美国科学家海弗尔和凯汀将铯原子钟放到飞机上，飞机在赤道平面附近高速向东和向西各绕地球航行一周后，回转地面，发现向东飞行时的原子钟比地面上的原子钟平均慢了59×10[-9]秒， 向西飞行时则比地面上的平均快了273×10[-9]秒（《狭义相对论实验基础》第64页）。这个实验使爱因斯坦关于时间“同时性”的相对性的思想实验以实在的形式出现了。可见，思想实验具有实践性，它并不是人们的主观臆想。
3.思想实验还有一个不容忽视的特征就是其创造性。在分析思想实验的思想性特征和实践性特征的时候我们会发现一个问题，是什么使思想和实践性统一在一项思想实验中的呢？严密的逻辑能推出所需的结论，却推不出自身的存在，即为什么会产生出这样一套逻辑的“实验程序”。经验性条件则更不会自动地把自己合理地组合到一个实验程序之中。能够解释和做到这一切的唯一因素就是实验主体的创造性思维。创造性思维在这里表现为直觉、灵感、顿悟、猜测、想象等非逻辑方法的运用。直觉使牛顿认识到树上掉下的苹果与物体间超矩作用的关系，促使他把月亮同苹果进行类比，思考月亮不掉下来的原因，并设计出初速极大可以不掉到地下而绕地球飞行的大炮实验。丰富的想象使钟情于决定论的爱因斯坦设计出EPR佯谬实验向玻尔挑战， 而睿智的玻尔同样凭借灵敏的思维从爱因斯坦实验设计自身的缺陷入手反驳了对方的诘难，两大巨人的思想论战已经成了绵延数十年的物理学研究领域的一大公案。
在现代科学研究中，有些学科虽有仪器设备可以借助，但仪器所显示的只是对象的部分现象或结构，并且往往具有细节上模糊不清的特点。此外，对于微观和宇宙更深层次的对象，即使运用最先进的仪器也不能显示客体的哪怕是模糊的结构。这时，单靠严密的逻辑力量是无济于事的，这就需要直觉因素的参与，以弥补观测手段和逻辑分析之不足。依据直觉与逻辑的互补与相互渗透，人们就可以建立起较完整的反映对象本质特征和规律的思想模型，获得这些思维客体内部结构和运动变化的有关信息。如现代生物学研究中，目前虽已具备了电子显微镜、高速离心机、X光衍射仪等先进的实验、观察手段， 然而对生命物质的微观结构和运动的变化规律的探索仍需要借助猜测和想象建立思想模型，从而取得科学创造的成果并推动科学认识的发展。因此，我们可以说创造性是思想实验的灵魂，正是因为创造性的存在，使得思想实验在现代科技活动中方兴未艾。
需要指出的是，我们强调直觉因素在思想实验中的作用，决不意味着否定和排斥逻辑因素的作用。实际上二者如同科学研究的两翼，在创造性思维过程中相互渗透和补充，是辩证统一的关系。逻辑需要直觉开辟道路，但直觉本身又是经验准备与逻辑思维长期浸润的结果，同时暗含着理论与逻辑的规范与统摄作用。伽利略的斜面小球理想实验是以能量原理为逻辑前提的。这个原理可以表述为：“物体在下落过程中所达到的速度能够使它跳回到原来的高度，但不会更高。”而爱因斯坦引进“同时性的相对性”的思想的明显的逻辑起点是光速的有限性。
二 思想实验的认识论意义
思想实验由于其思维、实在的双重性质，由于具有主观能动性与客观基础两方面的优势，从而成为科学认识发生、形成和深化的一条便捷而有效的路径。
（一）科学认识论指出了科学认识发生的起点在于问题，一个由问题陈述以及与之相关的知识、观念背景、历史信息和结构信息组成的问题境，是科学认识产生和发展的最佳土壤。但是正如那句经济学的名言：土地是财富之母，劳动是财富之父。只有问题境这块土壤，没有认识主体运用科学、有效的方法、手段对土壤的开发、耕种，再好的土壤也不会自动结出科学的硕果。这就需要在提出问题与解决问题之间建立一条有效的路径，引导问题的解决和新认识的产生。
这里，思想实验可以归入科学家认识发生途径中的经验启发（即直觉性）途径，但它又是比一般的直觉思维成熟的途径。直觉思维的开发性、启示性作用非常明显，它的最大功能在于通过感觉的幻化、概念的幻化打通思维逻辑通道的阻塞，在缺乏逻辑联系的经验与概念之间起到桥梁作用，这种作用正如灵光闪现本身一样是短暂的、瞬间性的，缺乏持久的穿透力和再生力。比如凯库勒凭借蛇咬尾巴的梦得到了苯分子的环状结构模型。可以说，这一梦境直觉的作用到此也就终止了，它的效力无法继续渗透到相关的研究中。而思想实验则不然。由于有一套完整的实验环节和程序，它不仅能创造出一些新概念、新想法，猜测到一些新规律、新原理，还能通过“实验过程”对之进行思维中的验证。这样，思想实验的结果就已经不只是纯粹直觉的“灵光一闪”，而是一项包含着逻辑力量和经验基础的创造成果，其认识价值是深刻而长远的，它往往成为一项新理论甚至一门新学科的基石，而不仅仅是一针促生剂。很显然，爱因斯坦通过“追光实验”提出的“同时性的相对性”原理是狭义相对论的基础假设之一，抽去了这块基石也就无所谓相对论了。经典力学的支柱之一惯性原理也是在伽利略回答理想斜面实验基础上得出的。可以说，思想实验是对科学家头脑中灵感的深加工、精加工，它把灵感进一步引导到有待解决问题上来，并且已经为问题的解决、认识的深化迈出了积极而富有创意的第一步。因而作为一种成熟、有效的启发式途径，其认识论意义是深刻的。
另外，就效率而言，思想实验优于普通实验之处还在于借助创造性的直觉作用，思想实验能摆脱疑难顽症的干扰，在寻求建立新观念、新认识、新理论、新规律的突破口上有事半功倍的成效。实际实验一般来说都是在已有理论、经验指导下进行，由于旧有理论框架的束缚，它最多能做到温故而知新，除非遇到一些特殊的机遇，如弗莱明偶然发现青霉素，对于科学认识的更新不能不说是事倍功半。特别是在一些具有划时代意义的重大理论突破事件上，实际实验就创新本身而言，其作用的局限性是明显的，它主要运用于对新理论的证实或否证，起检验的作用。
（二）思维实验丰富了实践的内涵，发展了传统认识论理论。传统哲学教科书中，实践被划分为三大块，即生产实践、生活实践与科学实践（主要是科学实验）。实践是认识的来源、认识发展的动力、检验认识真理性的标准。实践的一个被强调的根本特征就是“直接现实性”，即实践是人把自己作为物质力量并运用物质手段同物质对象发生实际的相互作用。它是一种现实的物质活动，具有客观实在性，因而才能当仁不让地成为检验认识真理性的终极标准，成为认识的源泉和发展的动力。
但是随着科学技术的发展，科学研究领域的拓宽和深化，这种“直接的现实性”，也就是将主观认识直接“变现”已越来越困难，甚至是不可能。前面在讨论思想实验的创造性特征时曾提到现代生物学的研究不可能完全依靠实际实验发展。其实，类似的例子还很多。比如，对亚夸克结构的研究，由于“夸克幽闭”现象的存在，科学家只能借助想象，在已有实验和理论素材基础上描述亚夸克世界的各种性质和状态。目前最为流行的大一统理论“超弦”理论就是这样一种合理的思想建构的产物。再如天文学中关于宇宙起源的探索形成的各种假说，对人脑结构、机能的各种模型分析等，都只能在无法“直接现实化”的景况下进行。我们可以称这是一种“间接现实性”，即它们本身不是直接的感性的物质活动，但它们都具有扎实而严密的现实和逻辑依据，它们或者将来能“变现”或者部分地能“变现”。而且依据它们能够很好地解决实际问题，能够建立起一套自圆其说的逻辑理论体系，这也是一种现实性，而且是充分体现了科学的创造性灵魂的现实性。而这种“间接的现实性”的最佳负荷者就是思想实验。如果我们一味坚持“直接的现实性”，否认“间接现实性”的合理性，那么我们可能发现一些真理，却可能失去更多更伟大的真理。
同时，我们还应看到，实践本身是相对的、历史的，在科学研究中不存在判决性实验，实践的功能不应被绝对化。而且在现实世界中没有纯客观的客体和活动，任何观察和实验都是受到了“理论污染”的，在量子力学眼中更是连物质、实体、客观实在等等这些传统唯物论的基本范畴都已无立足之地。这就使得“直接的现实性”的实践活动检验真理、启迪新知识的功能大打折扣。因此，我们不应迷信，至少不应只把眼光聚焦在“直觉现实性”上，我们应该认识到体现“间接现实性”的思想实验也能出真知，也能成为检验真理的标准。这既是为科学史上众多史实所证明了的真理，也是对“实事求是”这一马克思主义认识论指导原则的坚持。