思想实验是指：使用想象力去进行的实验，所做的都是在现实中无法做到（或现实未做到）的实验。

例如阿尔伯特·爱因斯坦有关相对运动的著名思想实验，又例如在爱因斯坦和英费尔德合著的科普读物《物理之演进》中，就有一个实验要求读者想像一个平滑，无摩擦力的地面及球体进行实验，但这在现实（或暂时）是做不到的。思想实验需求的是想象力，而不是感官。

爱因斯坦曾说：“理论的真理在你的心智中，不在你的眼睛里。”而在这其中。伽利略·伽利雷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2个铁球来证明亚里士多德的错误。

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”。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。

思想实验是科学家在头脑中设计和构造出一套纯粹的、理想化的仪器设备和研究对象，并对它进行纯粹的理想化的实验操作和控制，使与实验对象的某些因素以绝对简化、纯化、被设定、限制的形式表现出来；然后通过对这种理想化对象的感知和描述，发现和获取科学事实与自然规律的思维活动。思想实验在阿尔伯特·爱因斯坦那里得到了高度综合和充分发展，被叫做思想实验和理想实验。后来，有人把它称为“抽象实验”、“假想思想”、“思想实验”和“理想实验”等等。

思想实验早在古代就已经有了萌芽，古希腊科学家阿基米德在研究面积和体积时，总是先作一种思想上的“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。”

公元前5世纪，埃利亚的芝诺用思想实验论证了“阿基里追龟”、“飞矢不动”等命题。思想实验在中国也有人作过，在古代庄子的《天下篇》中，就有“一尺之，日取其半，万世不竭”这样的例子，来论证物质的无限可分。

思想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有关，亚里士多德的物理学研究大都是思想实验。

到了近代，它逐渐从思辨的形式转变为科学的思想实验。科学的思想实验从伽利略·伽利雷开始，可以说17世纪是科学的思想实验的发源时期。到了现代科学时期，因科学探索奖更广阔更深入，思想实验更加不可或缺。

实验对于自然科学来说，是科学认识的一种最基本的方法。任何实际的实验都是感性物质活动、感性认识活动。科学家、仪器设备、考察对象、环境条件都是感性存在与感性直观的对象，构成了现实的科学实践与认知系统。一切物化实验都会受到主客观条件的限制，以及仪器设备的操作等限制，因此，就会使所要考查对象的有关因素不能达到绝对的简化、纯化，达不到预期的目的。为了克服、超越物化实验的各种限制，科学家在自己的认知活动中常常利用思想实验来解决问题。

理想实验与思想实验的区别

理想实验与思想实验虽同属抽象的思想实验，但它们之间又有着不同，若混淆两者关系，客观上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，对思想实验的两种情况不加区分不乏其例。如超导问题，在未实验以前，普遍认为电阻为零的现象是不可能实现的一种理想化状态。这种认识，在一定程度上一度影响了对它的实践探索。又如阿尔伯特·爱因斯坦和英费尔德曾构想了一个“单电子衍射”实验，并且认为这是一个理想实验，事实上不可能实现，但这一构想后来被苏联科学家通过物化实验做成功了。

理想实验是指将实验对象、实验过程理想化，将逻辑思维与直觉、形象思维有机结合突出事物、条件的理想状态，但它在实践中并不存在。这种理想状态无法在物化实验中表现，理想实验的结果只是对客观事实极限的近似值描述。

理想实验有别于理想模型。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。自然科学领域所探讨的现象，有不少是理想化的客体，如质点、绝对刚体、绝对黑体、理想流体、理想溶液等等，这些理想客体模型可以回归到原型。理想实验排除了物化实验中无法排除的干扰，使得研究的问题达到高度的理想化。理想实验的结果虽然可以无限接近客观事实，但在实践中永远无法实现。卡诺热机循环实验，阿尔伯特·爱因斯坦设想的“双生子佯谬实验”等，都是理想实验。

思想实验是指在特定的条件下，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。恩斯特·马赫说：“思想实验的基本方法和物理实验相同。”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。

伽利略·伽利雷否定了亚里士多德的落体定律之后，斯台文作了一项实验，证实了这一见解。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，落在一块实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”。

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。

伽利略·伽利雷曾经提出：“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。”伽利略的意思是：思想实验可以产生一个无须通过物化实验得到的结果。著名的法国科学史家，亚历山大·夸黑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麻烦。

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。

思想实验不管是在实验对象、实验条件、还是从实验结果来讲，同物化实验比较起来都有一定的理想性。它的实验对象不是实在的物体或物质，而是在大脑中设想的抽象物，通过思想实验对它进行特定的研究加工处理；实验对象一经进入研究的场所，必有与之研究相适应的理想状态、理想条件；实验结果是对客观事实极限的近似值描述，“思想实验所产生的新的理解不是对自然的理解，而宁可说是科学家的概念工具”。萨迪·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。

逻辑推演是思想实验的基本方法，离开逻辑，思想实验无法进行，也不能得出科学的结论。思想实验与纯粹逻辑不同，它与客体相联系，把逻辑放在具体的实践活动中，语言、数学和思维，通过逻辑联系在一起，促进整个思想实验的顺利开展。卢克莱修环形山这样来证明空间是无限的：假若宇宙是有边界的，我们可以向宇宙的边界投掷一个长茅，如果这个长茅能够飞过去，那么宇宙就没有边界。假如这个长茅弹回来了，则在假想的卡门线上边必定有一些类似于宇宙砖墙之类的东西，它阻止了长茅飞过去。但我们回过头来想一想，这个墙本身自己也在太空中！所以说无论用何种方法，宇宙都没有边界，因此就可以得出结论：空间是无限的。

思想实验对新的理论的产生具有启发作用。阿尔伯特·爱因斯坦在谈到伽利略·伽利雷理想实验时写道：“这个惯性定律不能直接从实验得出，它只能根据思索和观察得出。理想实验无论什么时候都是不能实现的，但它使我们对实际的实验有深刻的理解。”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，抽去这块基石也就无所谓相对论了。经典力学的惯性原理也是在伽利略回答斜面实验基础上得出的。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的问题上来，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。

思想实验符合高效率、低成本原则。拥有观念比拥有经验事实更容易些，做思想实验不必承担太大的代价，这对于一些大型实验来说是一个显著优势。如果我们用思想实验可以达到同样的目的，无疑可以节约大笔经费，并节约由于建造和调试实验设备所耗费的大量时间与人力物力。“思想实验远远先于物质实验，并且为物质实验作了准备。”“每个实验者，每个发明者，在实际行动中贯彻一种程序以前，必须在头脑中先具有这种程序。斯特芬松如果从经验中也知道机车、钢轨、蒸气机，那么在他能进行这种活动以前，他必须正是通过第一次把它们在思维上组合起来，他能够接着进而在实践中建造机车。伽利略·伽利雷在能够实现研究自由落体的实验安排之前，他必定在他的幻想中看见它被充分地描绘出来。”

思想实验在科学革命的过程中起着推动作用。例如，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。当时不少物理学家认为物理学的大厦已经基本建成，一些基本的、原则的问题都已经得到解决。英国物理学家开尔文曾说:“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。”这两朵乌云是指当时经典物理学无法解释的黑体辐射实验和迈克尔逊-莫雷实验。正是这两朵乌云引发了20世纪物理学的革命。这场物理学变革的推动力量是阿尔伯特·爱因斯坦的思想实验。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？因这两个问题，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。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。

思想实验并非脱离实际的主观臆想，它是人类在探索自然过程中，对大量的科学事实作深入的抽象分析和想象概括，从而使被研究对象和实验过程理想化、抽象化、科学地推导出支配被研究对象的规律。思想实验因其功能不一，其类型也各不相同，但根据其思维过程以及结论的作用，可以将思想实验分为以下几种类型。

批判型思想实验又可称为否定性思想实验。这种实验针对已有理论进行思维性论证，通过证明与反驳，揭露现行理论错误和问题，直至否定该理论。

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：物体运动速度的大小，是由它是否受力以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。伽利略·伽利雷运用思想实验否定了这一统治欧洲近两千年的错误理论。他写道：“如果把一件重的东西和一件轻的东西束在一起，从高处抛下来，那将会是什么情形？按照亚里士多德的观点，坠落的时间可以是一个具有两个物体重量总和的物体从同一高度落下来的时间。这两个结果的互不相容，证明亚里士多德错了。”

变革型思想实验又可以称为建设性思想实验。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。

早在古希腊，人们对力的作用与物体运动速度进行了观察和初步的研究。日常的表象告诉人们：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，必须用更大的力来推它。后来亚里士多德总结为他的力学理论：当作用于一个物体的力不再去作用它时，原来运动的物体便归于静止。对此，伽利略·伽利莱提出了质疑，他在斜面实验的基础上进行思想实验。他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，但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，朝下运动是因为加速的原因，而朝上运动，则是因为已经减速，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，运动既不会减小或减弱，更不会消灭。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两个概念，提出了“惯性”的概念，得到了力与速度变化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，这些理论经牛顿的整理和发展，成为了经典力学定律。

综合型思想实验又可以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，通过选择、提炼、重组等多种方法的运用与分析，运用逻辑法则从中探寻新的理论和科学解释。思想实验往往开始于简单构想综合，它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。詹姆斯·麦克斯韦在研究了迈克尔·法拉第理论后，通过其渊博的数学知识和丰富的想象力，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，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，变化的电场产生变化的磁场，并表现出波动的特征。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度。这意味着，光波是一种电磁波，并由此确立了光的电磁理论。詹姆斯·麦克斯韦的思想实验成果，在15年以后，由赫兹通过共振器的实验得到了证实，最终为科学界所接受。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不可想象。

人们通过思想实验所形成的认识是否正确？是否符合客观事实？对这些问题的回答，就产生了对思想实验进行检验与评价的必要。

思想实验完成以后，并不等于认识过程的终结，思想实验的结果或假设性结论有一定的似真性，必须经受住实践的检验方能上升为理论。思想实验的检验就是检验实验结果的客观实在性，而对客观实在性的检验只能用科学实践。思想实验因其是在思维中进行的实验，检验存在一定的特殊性。

在同样的条件下，对物化实验进行检验，重复物化实验，如果所得到的结果都相同，说明实验是精确的、严格的、真实的。思想实验在任何时候都具有重复性，这并不等于其结果就是正确的。

（1）检验条件的模拟仿真性。现代科学研究中，思想实验是在理想状态进行的实验，往往无法在物化实验中直接进行检验。对于这类实验的检验，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无限拟真的条件(如超高温、超高压、超高真空、强磁场等等)来进行，得到原来无法观察到的自然现象及其变化发展规律，来进一步丰富和扩大人们的感性认识。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检验亚夸克世界的各种性质和状态。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情况下进行检验。对这些预言和预见需要通过逻辑分析推演出若干结论，然后与实践结果进行对照之后在一种无限拟真的条件下才能得到检验。

（2）检验方式的间接性。实践检验的一个最根本特征就是直接现实性，但随着科学技术的发展，科学研究领域的拓宽和深化，在思想实验中将主观认识直接“变现”已越来越困难，甚至是不可能。即使是思想实验中所包括的预言和预见，并不总是可以直接进行检验，需要运用间接的方式进行。如果电磁波与光波具有统一性，则电磁波的速度等于光的速度。这个猜测在1888年由物理学家赫兹通过实践所证实。在任一有限空间里，难以测量电磁波的速度，赫兹用检波器测量出电磁波两个波节之间的长度，然后根据振荡器的频率公式计算出电磁波的频率，最后计算出电磁波的速度，从而肯定了电磁波速等于光速的结论。但这一检验的结果并不等于完成了电磁波与光波具有统一性的证明。因为二者具有同一性意味着电磁波应显示光波的所有性质。赫兹接着通过其他实验进行了关于电磁波的反射、聚焦、折射、偏振等的检验，终于证明了当时人们所认识的光的一切物理特性对电磁波来说都具有，这样赫兹才算完成了电磁波和光波具有同一性的检验。

思想实验的检验就是为了检验思想实验的过程是否符合逻辑，结论是否符合客观规律，但因思想实验自身的特殊性，检验方式与一般实验有一定的区别。对于思想实验的检验，不仅仅只是简单的重复其过程，而且要接受逻辑分析和物化实验的双重检验。

（1）逻辑分析。思想实验的逻辑分析主要是指分析思想实验在逻辑上的合理性。逻辑推理是检验的基本指向，逻辑分析的方法是从一些已确认的理论出发，通过规则的推理来论证另外一些判断的可靠性或实验的可能性。其中包括分析思想实验中的概念是否具有精确性，逻辑结构是否具有一致性，是否得到已有科学理论和科学事实的支持等。

通过逻辑推演可以确定一个思想实验是否真，这是不容否认的客观事实。例如，就一个公理体系来说，所有的定理都是直接、间接以该体系的公理论据通过证明被确定为真的。人们熟悉的欧几里德几何，其中所有定理都是直接或间接以几个公理为论据通过证明被确定为定理的。如陈景润所发现的“陈氏定理”，大偶数表示为一个素数及一个不超过两个素数的乘积之和，也是经过陈景润对它进行了系统的证明以后被确定为真的。可见，逻辑推理也可以检验一个思想实验是否为真。如果否认逻辑分析可以检验思想实验为真，几千年来整个人类行之有效的思维形式，就要丧失其认识意义，自古至今建立起来的一切公理体系也将失去其科学价值。

单纯的物化实验只能说明假设与事实是否一致，通过逻辑分析可以检验思想实验的逻辑结构。思想实验经过逻辑分析得出可经检验的事实陈述，然后通过物化实验的观察和验证，进而检验思想实验是否符合客观事实。人们有时也不满足于实践的确认，而力图求得思想实验的逻辑推演与分析。比如，“四色定理”早在地图的绘制实践中千百次地被使用过，但是直到1960年代用计算机逻辑分析证明之后，人们才感到满意。所以，我们应该看到，实践检验本身是相对的、历史的，实践检验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”，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。这就使得用直接的物化实验检验真理、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物化检验上，我们应该认识到体现逻辑分析也能成为检验思想实验的标准。

（2）物化实验检验。逻辑分析是一种辅助性的检验方法，它的结果要直接或间接地接受实践的检验。逻辑推演只是从一个论证到另一个论证，不能把设想和客观世界联系起来。物化实验是一种科学的实验活动，它运用社会实践活动所提出的相关信息资料，通过观察和实验对思想实验及其描述的客体进行的验证，来检验思想实验所导出的关于事实的陈述是否符合客观事实，从而确认思想实验的真实性。物化实验尽可能地排除了外界的许多影响，突出了主要因素，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)发现或重演。正如恩斯特·马赫所说：“思想实验的结果是如此明白确定，以致于在进行思想实验的那个人看来，似乎没有必要借助物理实验做任何进一步的检验，无论这是正确还是错误。但是，其结果愈是不确定，则思想实验愈是需要物理实验作为其自然的继续，由物理实验判明和确定思想实验。”这是因为思想实验得来的结果仍然是思维的东西，还不是实在的经验事实，只有经过实践的观测验证才具有经验事实的意义。

思想实验的物化实验检验因其思想实验结论的不同而有差别。如果思想实验的结论是单称陈述，且实验对象可以直接物化，这样的思想实验可以直接进行检验。但是在许多情况下，因为思想实验中包含着对事物本质的猜测，这种猜测往往具有抽象性、普遍性和理想性，致使实验的对象不能直接物化；或者实验的结论是一个全称陈述，这样的思想实验就无法直接进行检验。因此，普遍性的思想实验的结论的物化实验检验，就要借助一定的辅助条件和通过演绎推理等方法进行检验，推出若干个可以检验的相似情况，对实验结果进行比较、分析，以达到检验的目的。这样的检验是通过间接的方式进行的。例如，由于引力波很弱，目前还没有仪器能直接观测，所以对与广义相对论有关的引力波的检验，目前只能通过对引力波存在的某些特有效应来间接地进行。像引力辐射会引起双星运行周期的变化等。1978年，美国天文学家约瑟夫·泰勒小组宣布他们通过对高速旋转的致密双星的四年观测，测到双星转动周期缩短了万分之四秒，与广义相对论的引力波理论计算结果一致，从而探测到了引力波的一个间接效应。

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。

当我们用历史的眼光去考察那些在科学认识活动中起过重要作用的思想实验时，就会发现，从提出问题到用思想实验解决问题，大都经历了一个较长的充满曲折与反复的历史过程。思想实验的这种思维活动，不同于幼儿和人类早期的形象思维，也不同于文学艺术中的形象思维。幼儿和人类早期的形象思维，尚未发展到逻辑思维的水平，不可能被逻辑思维引导和制约。文学艺术中的形象思维，虽然也接受逻辑思维的引导和制约，作家是用形象思维来塑造人物形象，通过人物形象来反映主题。在思想实验中，实验者建构一个思想实验，使用的不是哪一个具体事物的经验表象，而是该类事物的一般的共同的即抽象化了的表象。思想实验的结果，直接得出了一些抽象的概念、理论和规律。

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。如下图。

实验者（主体）实验仪器设备（手段）被实验对象（客体）

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。思想实验的建构可以分为三个步骤进行。我们结合“薛定谔的猫”的实验来考察。

问题分析与目标定位

思想实验的问题分析与目标定位是指实验者要确立建构一个什么样的思想实验的问题，这个思想实验要解决什么问题，而且还要指分析思想实验在逻辑上的合理性，以达到对思想实验进行初步筛选的目的。思想实验的客观基础是客观世界和人类世界；对象是自然界及其规律；主观条件就是丰富的科学知识和突出的想象能力。例如：埃尔温·薛定谔的思想实验的问题分析与目标定位：微观世界遵从量子叠加原理，如果自然界确实按照量子力学运行的话，是否宏观世界也应遵从量子叠加原理？宏观世界中是否存在有量子效应？

轮廓构思与细节设计

思想实验的轮廓构思与细节设计是指对整个思想实验的大致概貌有一个初步的理论构想，然后通过细节设计来逐步实施。可以这样说，思想实验的轮廓构思与细节是进行思想实验建构的必经之路，这个过程是通过逻辑分析构成的。思想实验与科学事实之间存在着一定的关系，通过逻辑分析，能使思想实验和事实之间建立起联系，从而设计过程确证或反驳思想实验。它包括实验方案的设计，实验过程的调控，实验数据的收集与整理等等。轮廓构思与细节设计的方法是从一些已确认的理论出发，构思一定的虚拟实验环节，通过规则的推理来论证另外一些理论的可靠性或实验的可能性。例如，埃尔温·薛定谔设想在一个封闭盒子里面有个放射源，它在每一秒时间内以1/2几率放射出一个粒子。换句话说，按照量子力学的叠加性原理，一秒钟后体系处于无粒子态和一个粒子态的等几率幅叠加态。一旦粒子发射出来，它将通过一个巧妙的传动机构将毒药瓶打开，毒气释放后会导致盒子里面的一只猫立刻死亡。当然，如果无粒子的发射，这一切均不会发生，猫仍然活着。现在要问：一秒钟后盒子里的猫是死还是活？既然放射性粒子是处于0和1的叠加态，那么这只猫理应处于死猫和活猫的叠加态。

在思想实验轮廓构思与细节设计阶段，逻辑推理是它的基本指向，实验者在建构思想实验时，想象是充分自由的，他可以根据自己掌握的经验和知识、以及当时的科学水平，就可以对研究的客体进行充分的联想，而且联想从何而发、向何方延伸也是随机的。当众多材料、经验表象等在实验者脑海中涌现时，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，又同建构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，阿尔伯特·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”等思想实验，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、条理清晰的思维过程。

思维运算与结论分析概括

思维运算与结论分析概括是指实验者经过对实验过程的构思与设计，经过逻辑推演，对结论进行分析概括的过程。其中包括分析思想实验中的所使用的概念是否具有精确性、明晰性与简单性；分析思想实验在逻辑结构上是否具有一致性；分析过程是否严密；分析思想实验是否得到已有的科学理论和科学事实的支持等。在埃尔温·薛定谔设计的这个“猫”的思想实验中，实验装置巧妙地把微观放射源与宏观的猫联接起来，最终诞生出这只可笑的薛定谔猫，结论似乎否定了宏观世界存在有可以区分的量子态的叠加态。事实上，大量实验事实都肯定了宏观世界中存在有量子效应。

经过以上三个步骤可以建构一个思想实验，也符合思想实验建构的一般规律。就一个公理体系来说，所有的定理都是直接或间接以该体系的公理论据通过这三个步骤后被确立的。可以说：思想实验是科学与理性思维相结合的结果。思想实验的建构，既是想象自由展开的过程，又是逻辑推演的过程。在这中间，逻辑起着主导作用，它引导、控制着想象，保证想象既是丰富的，但又不是胡思乱想。想象活动为逻辑推演提供了可靠的素材基础，逻辑推演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。

思想实验检验与评价的合理性原则

思想实验检验与评价的合理性是指思想实验的过程与结论是否符合客观事实。在科学研究中，思想实验已经成为不可或缺的研究方法。所以，对思想实验检验与评价的合理性把握，尤显重要。

借鉴性与创新性相统一

借鉴性是指思想实验的构建是在借鉴前人的理论和见解的基础上进行的。思想实验并不与科学实践中的物质活动相背离，也不会与经验事实相抵触。人们在建构一个思想实验之前，总有其直接或间接的经验事实作为依托和基础，尽管思想实验超越了实践的物化实验领域，但它仍与经验事实有着一定的借鉴。卡诺在建构卡诺定理之前，是瀑布落差启发了他，引导他把热机锅炉与冷凝器之间的温差突显出来，用思想实验来分析热机的工作原理。海森伯格也曾借用“理想显微镜”实验，形象地论证“测不准关系”。

思想实验优于物化实验之处还在于其创新性。创新性是指所选的思想实验应是前人从未曾提出过的或没有完全解决的问题，预期能够产生新的发现和新的发明，或者至少能对前人的研究成果有新的补充、扩展和深化。思想实验是探索性的，它的本质在于创新，创造性是科学研究的灵魂和生命。思想实验能摆脱客观局限性的干扰，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。物化实验一般来说都是在已有理论、经验指导下进行的，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。特别是在一些具有划时代意义的重大理论突破事件上，物化实验本身就创新功能而言，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证伪，起检验的作用。

创新性原则与借鉴性原则容易产生矛盾与冲突。创新性原则要求科研人员对已有科学知识要敢于怀疑，敢于突破，敢于创新，敢于修正。如若不是有尼古拉·哥白尼、布鲁诺·鲍威尔大胆推翻了统治欧洲达一千多年的并被神圣化的亚里士多德托勒密的地心说，就不会有日心说的出现，就不会有近代自然科学的诞生。若不是有阿尔伯特·爱因斯坦和马克斯·普朗克对艾萨克·牛顿经典物理学的大胆质疑和超越，就不会有相对论和量子论的产生。可见，没有大胆的怀疑精神，没有勇于创新、敢于超越前人的气魄，科学就无法产生、发展，社会就不能进步。而借鉴性原则又要求人们进行思想实验时，不要违反公认的科学原理和常识，要在已有的科学理论指导下进行。

科学性与宽容性相统一

思想实验的科学性原则是指思想实验要以一定的科学理论或科学事实为依据，要在当时的科学技术背景下选择。不能异想天开地盲目做思想实验，那些与已经确证的科学理论相矛盾的思想实验不应该作为选择对象，而且所做的实验在一定程度上能够如实地反映了客观事物及其发展的内在规律，达到主观与客观的统一，使主体观念符合客观，思维与存在具有同一性。例如，阿尔伯特·爱因斯坦从思想实验中得到光线通过引力场弯曲的结论，通过实际的观测检验之后，成为了经验事实。

思想实验的宽容性是指，思想实验必须正确反映事物本质或规律性的同时，允许试错、也允许长时间内存在无法检验。也就是说，宽容性意味着对价值多元化现实主体的承认、尊重和平等看待；意味着对不同价值标准的客观理解；意味着对自己价值观念的执著和恪守。具体地讲，宽容性体现的是一种欢迎不同观点而有是非、立场明确而不偏执的精神。

牛顿设计的旋转水桶实验，试图证明存在绝对空间和绝对运动。用长绳吊一水桶，让它旋转至绳扭紧，然后将水注入，水与桶暂时都处于静止中。再突然使桶反方向旋转，当绳子完全放松时，桶的运动还会持续一段时间。水的表面在桶开始旋转时是平的，但是后来，桶逐渐把运动传递给水，使水也开始旋转，就可以看到水渐渐离开其中心而沿桶壁上升形成凹面。运动越快，水升的越高。最后水与桶的转速一致，水面相对于桶就静止不动。

艾萨克·牛顿认为，水面的下凹，不是由水对周围的相对运动造成的，而是由水的绝对的、真正的圆周运动造成的，因此由水面的下凹就可以判断绝对运动的存在。恩斯特·马赫对牛顿旋转的水桶实验提出了批评。他认为，旋转水桶实验并没有证实绝对空间和绝对运动的存在，因为这个实验完全谈不上是相对于绝对时空来做的。

马赫认为，这一水桶相对于水的旋转将对桶内的水产生一个等效的惯性离心力作用。马赫认为，没有什么绝对空间，一切运动都是相对于某种物体而言的，惯性离心力是由相对于远处恒星（或宇宙中全部物质的分布）的加速度引起的。

逻辑可行性与经验可能性相统一

思想实验的逻辑可行性就是要审视思想实验内部结构各个过程的逻辑关系。它首先在内部结构及各个过程上是逻辑一致的，自相矛盾或缺乏内在联系的结构过程都不是真正的思想实验。

思想实验包含着若干个步骤，思想实验是科学理论前提下进行的思考，所以，它的每一步都应有其逻辑性，而且每一个理论也存在自身的逻辑关系；一个逻辑可行性的思想实验，在理论上应是具有逻辑一致性的实验，否则，理论自相矛盾的实验不是真正的实验，更不可能具有可行性；同时，步骤上缺乏内在联系的实验也不是真正的实验，充其量也就是一堆假想的堆砌。

逻辑矛盾的理论不可能成功的建构实验，杂乱无章的步骤也不能成功的解释经验事实。亚里士多德的“落体”理论，之所以与经验事实不相符，而且受到伽利略·伽利莱严肃的反驳，就在于该理论隐含自相矛盾的理论。

詹姆斯·麦克斯韦设想一个充满处于热平衡状态的气分子箱，箱子的中部嵌着一面夹壁，将箱子一分为二，夹壁上有一个门，该门最初开着，以使容器两边的分子可以互相来往，然后麦克斯韦提出或许能让一个极小的“精灵”坐守于门边，以便能够极为迅速地将门打开或关上，精灵允许靠近门由左向右的快分子或由右向左的慢分子通过，对其它分子则不打开，精灵会将分子分为两个群组，右边一组分子有较高的平均平移动能，因此温度较高，左边是具有较低温度的另一组分子。

詹姆斯·麦克斯韦设想这个思想实验的本意并不在推翻热力学第二定律，而在于指出它的局限性，并用这个实验来阐明，它只具有统计上的可靠性，使人们放弃了绝对化的论述。从麦克斯韦提出这个实验一百多年来，人们对这个思想实验的可能性进行了广泛的探索，从而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热力学的建立。

思想实验是逻辑范围内的活动，但又超越逻辑的过程。这是由于思想实验本身要求考虑客观经验的可能性。所选的思想实验应充分考虑到研究人员的主、客观条件，即应根据已经具备的或经过努力可以具备的条件进行选择。一个思想实验，无论具有多么诱人的魅力，也符合逻辑性、科学性、宽容性和创新性等原则，但若毫无经验的可能性，那么就不可能有多少科学价值。

思想实验所提供的理论或信息应符合自然的本来面目（尽管当时不可经验检验），当其客观条件成熟，有的思想实验可转化成物化实验。但科学史告诉我们，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，也是不现实的。

价值是主体对客体满足自身需求水平的评价。作为一个哲学范畴，价值表示主体与客体之间的关系。简单的说，思想实验的价值就是思想实验对评价主体（个人和社会）的作用和意义。当思想实验对主体的需要和发展起肯定和促进作用时，它就具有正面价值；否则，当思想实验对人和社会的需要和发展起否定和破坏作用时，它就具有负面价值。例如，在讨论自由落体时，经常听到这样的话：“只有在真空中……”。

据考证，伽利略·伽利莱并没有在真空中做这个实验，可能所有的物体在真空中以相同的速度下落，但这并不是伽利略做实验观察到的，他用思想实验建立了他的理论，满足了主体的需要，促进了理论的发展，该思想实验就具有正面价值。否则，它就具有负面价值。思想实验的价值表现在内在价值和外在价值两个方面。

思想实验的内在价值包括认知价值，科学家的个体价值两个方面。

（1）认知价值。思想实验既是一种研究方法，同时也是一种表述方法。在思想实验中，人们对经验材料进行抽象、对抽象活动获得的结果进行表述的方法别具一格。科学史研究表明：科学史上许多重大的科学理论的发现并非都是物化实验得到的，往往都是通过思想实验得到。从这个意义上，思想实验是绝大多数人进行科学实验的一种基本方法和精神需求，通过思想实验能够满足认识真理的需求。

（2）科学家的个体价值。思想实验作为一种科学研究的方法和手段，除了有认知价值以外，还含括了科学家的信念价值、解释价值、预见价值和审美价值以及研究目的。这不仅保证了思想实验的客观性、合理性和完美性，而且体现了人类自身的完善和求是、尚理品格。思想实验是人类自觉、主动改变客观世界满足主体的活动，是科学认识主体自觉能动性的表现。

恩格斯在分析劳动时指出了人类劳动的这一特点。“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，蜜蜂属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。”

贝尔纳所指出:“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，绝对不是意味着这方面是唯一科学发展方法，或者甚至说是科学发展的最好最快的方法。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。”

思想实验的外在价值从某种意义上说，是指思想实验对社会的发展产生了如何的影响。科学家进行思想实验的目的，是为了揭示事物内部的规律性。思想实验由于自身特有的优势，对探索自然的力量不可估量；再由于其思维、实验的双重特征，成为科学认识发生、形成和深化的一条便捷有效的路径，从而推动了科学的发展。

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。阿尔伯特·爱因斯坦说：“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”。

思想实验的评价是考察思想实验与客观事实、客观过程及其规律之间的一致性。思想实验的评价是一个复杂的过程，它不仅要通过实践对实验客体的属性、功能作出判断，也要通过实践来确认真实的、客观的需要，才能把客体性能与主体需要相比较，最终作出合理的评价。在这一过程中，会更多地渗透着主体性因素的影响，如人的个体差别，所处的时代背景和文化、人的情绪、情感等都会在不同程度上影响到评价结果。思想实验的评价包括价值评价和科学性评价。

思想实验的价值评价要考察思想实验所倾向的价值目标是否符合实际的科学需要，是否符合人类发展的客观要求，对社会的发展产生了何种影响。它是人们在观念中把握思想实验的价值有无，且价值大小的过程及结果。思想实验的价值评价要运用一定的价值尺度去衡量。不同的历史时期，价值尺度不同。思想实验的价值标准必须是客观的，一切主观的东西，如兴趣、爱好等，都不是思想实验的价值标准。

思想实验的科学性评价是通过比较实验主体的主观认识与客观事实来作出的判断。只有如实反映了客体内部发生的客观变化、客观联系的理论，才能获得科学性评价。反之，不能与客观事实相吻合的理论，无论其实验内部如何地自洽、完备、其叙事又如何地与生活经验相一致，严格地说都不能确立其科学性。而那些故意使用虚假概念，使用一些含混不清、模棱两可的判断，以图逃避检验，化解反例的“思想实验”，那就连起码的可检验性都不具备，就不能标榜为科学。从某种意义上说，通过思想实验可以导出一系列可以被最终观察到的结论。

思想实验的经验上的科学性评价，尽管因思想实验自身的特殊性而很复杂，例如当客观条件不具备直接检验时只能借助间接检验作出评价，但是，当具备了可直接检验的条件时，人们通过观察或实验证明事实结论，从而对思想实验作出证明。如以“T”表示思想实验，以“e”表示T所蕴藏的可观察到的经验陈述，那么对思想实验的科学性评价模式可以表述为：

T可能真

T→e1，e2，……en 已观察到e1，e2，……en ∴T更可能真

评价思想实验价值和科学性涉及许多方面，但最重要的评价是思想实验的科学性评价。通过对思想实验的评价，赋予思想实验认识、实践以意义，引导和规范人的活动向有利于人类自身的方向发展。

十大思想实验

（The Trolley Problem）

“电车难题”是伦理学领域最为知名的思想实验之一，其内容大致是：一个疯子把五个无辜的人绑在电车轨道上。一辆失控的电车朝他们驶来，并且片刻后就要碾压到他们。幸运的是，你可以拉一个拉杆，让电车开到另一条轨道上。但是还有一个问题，那个疯子在那另一条轨道上也绑了一个人。考虑以上状况，你应该拉拉杆吗？ （这个问题在“公平：怎么做才正确？”中也有涉及。）

（The Cow in the field）

认知论领域的一个最重要的思想实验就是“空地上的奶牛”。它描述的是，一个农民担心自己的获奖的奶牛走丢了。这时送奶工到了农场，他告诉农民不要担心，因为他看到那头奶牛在附近的一块空地上。虽然农民很相信送奶工，但他还是亲自看了看，他看到了熟悉的黑白相间的形状并感到很满意。

过了一会，送奶工到那块空地上再次确认。那头奶牛确实在那，但它躲在树林里，而且空地上还有一大张黑白相间的纸缠在树上，很明显，农民把这张纸错当成自己的奶牛了。

问题是出现了，虽然奶牛一直都在空地上，但农民说自己知道奶牛在空地上时是否正确？

（The Ticking Time Bomb）

如果你关注近几年的政治时事，或者看过动作电影，那么你对于“定时炸弹”思想实验肯定很熟悉。它要求你想象一个炸弹或其他大规模杀伤性武器藏在你的城市中，并且爆炸的倒计时马上就到零了。在羁押中有一个知情者，他知道炸弹的埋藏点。你是否会使用醢刑来获取情报？

（阿尔伯特·爱因斯坦’s Light Beam）

爱因斯坦著名的狭义相对论是受启于他16岁做的思想实验。在他的自传中，爱因斯坦回忆道他当时幻想在宇宙中追寻一道光线。他推理说，如果他能够以光速在光线旁边运动，那么他应该能够看到光线成为“在空间上不断振荡但停滞不前的电磁场”。对于爱因斯坦，这个思想实验证明了对于这个虚拟的观察者，所有的物理定律应该和一个相对于地球静止的观察者观察到的一样。

（The Ship of Theseus）

最为古老的思想实验之一。最早出自普鲁塔克的记载。它描述的是一艘可以在海上航行几百年的船，归功于不间断的维修和替换部件。只要一块木板腐烂了，它就会被替换掉，以此类推，直到所有的功能部件都不是最开始的那些了。

问题是，最终产生的这艘船是否还是原来的那艘特修斯之船，还是一艘完全不同的船？如果不是原来的船，那么在什么时候它不再是原来的船了？

哲学家Thomas Hobbes后来对此进来了延伸，如果用特修斯之船上取下来的老部件来重新建造一艘新的船，那么两艘船中哪艘才是真正的特修斯之船？

（伽利略·伽利莱’s Gravity Experiment）

为了反驳亚里士多德的自由落体速度取决于物体的质量的理论，伽利略构造了一个简单的思想实验。根据亚里士多德的说法，如果一个轻的物体和一个重的物体绑在一起然后从塔上丢下来，那么重的物体下落的速度快，两个物体之间的绳子会被拉直。这时轻的物体对重物会产生一个阻力，使得下落速度变慢。但是，从另一方面来看，两个物体绑在一起以后的质量应该比任意一个单独的物体都大，那么整个系统下落的速度应该最快。这个矛盾证明了亚里士多德的理论是错误的。

（Monkeys and Typewriters）

另一个在流行文化中占了很大分量的思想实验是“无限猴子定理”，也叫做“猴子和打字机”实验。定理的内容是，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。

猴子和打字机的设想在20世纪初被法国数学家Emile Borel推广，但其基本思想（无数多的人员和无数多的时间能产生任何/所有东西）可以追溯至亚里士多德。

（The 汉语词类 Room）

“中文房间”最早由美国哲学家John Searle于20世纪80年代初提出。这个实验要求你想象一位只说英语的人身处一个房间之中，这间房间除了门上有一个小窗口以外，全部都是封闭的。他随身带着一本写有中文翻译程序的书。房间里还有足够的稿纸、铅笔和橱柜。写着中文的纸片通过小窗口被送入房间中。

根据Searle的理论，房间中的人可以使用他的书来翻译这些文字并用中文回复。虽然他完全不会中文，Searle认为通过这个过程，房间里的人可以让任何房间外的人以为他会说流利的中文。

（Schrodinger’s Cat）

薛定的猫最早由物理学家薛定锷提出，是量子力学领域中的一个悖论。其内容是：一只猫、一些放射性元素和一瓶毒气一起被封闭在一个盒子里一个小时。在一个小时内，放射性元素衰变的几率为50%。如果衰变，那么一个连接在盖革－米勒计数器上的锤子科技就会被触发，并打碎瓶子，释放毒气，杀死猫。因为这件事会否发生的概率相等，薛定锷认为在盒子被打开前，盒子中的猫被认为是既死又活的。

（Brain in a Vat）

没有比所谓的“缸中的大脑”假说更有影响力的思想实验了。这个思想实验涵盖了从认知学到哲学到流行文化等各个领域。

这个实验的内容是：想象有一个疯狂科学家把你的大脑从你的体内取出，放在某种生命维持液体中。大脑上插着电极，电极连到一台能产生图像和感官信号的电脑上。

因为你获取的所有关于这个世界的信息都是通过你的大脑来处理的，这台电脑就有能力模拟你的日常体验。

如果这确实可能的话，你要如何来证明你周围的世界是真实的，而不是由一台电脑产生的某种模拟环境？