思想實驗的信息加工過程研究

摘要 提出思想實驗是一種科學研究方法和認知方式，通過分析兩個思想實驗的典型案例，闡明由命題的質疑或設問引發構建虛擬實驗情境，選擇、加工表象作為研究客體，然后進行推理和驗證的信息加工過程，并提出思想實驗的基本模式。

關鍵詞 思想實驗；信息加工；表象；虛擬實驗情境

中圖分類號：G424.31 文獻標識碼：A 文章編號：1671-489X(2011)18-0014-04

Research of Information Processing of Thought Experiment//Xu Chengguo

Abstract This paper puts forward that thought experiment is a scientific research method and a cognitive style. Through the analysis of two typical cases of thought experiments， this paper clarifies the basic pattern and the information processing of thought experiment， first to build the virtual experimental conditions caused by the challenge of propositions or asked questions， then to select and process representation as a research object， and then to reason and verify the conclusion.

Key words thought experiment; information processing; representation; virtual experimental condition

Author’s address Guangdong Polytechnic Normal University， Guangzhou， China 510665

思想實驗是利用想象力進行的實驗，擺脫了具體的實驗環境和實驗對象，通常能夠做到在現實中無法實現或沒有做到的實驗。在人們的工作和生活中，思想實驗是一種普遍存在的認知方式。當人們在工作中遇到難題或者生活中陷入困境的時候，偶爾會有人通過想象假定一些情境，思考在此情境下解決問題的方式方法。筆者在網絡上看到一個非常有趣的游戲，叫做吉普賽人古老的讀心術，宣稱能夠測算出被試內心做出的選擇。筆者只是設想這么一個情境：如果兩個人同時做這一個游戲而他們內心的選擇并不同，結果會如何？甚至是一個幾十人的群體同時做這個游戲結果又如何？通過這些假定的情境，很快就找到解決問題的線索。

把思想實驗當成一種科學方法加以研究，已有近百年歷史。馬赫的《論思想實驗》、愛因斯坦與英費爾德合著的《物理學的進化》、庫恩的《思想實驗的一種作用》都是研究思想實驗的重要文獻[1]。作為科學研究方法，思想實驗具有不可替代的作用。在科學史上，伽利略利用理想斜面實驗批駁了亞里士多德力學的錯誤觀點，形成牛頓慣性定律的基本思想；“麥克斯韋妖”實驗導致廣義熵增加原理的建立；愛因斯坦的“追光實驗”令他萌發相對論的宏偉思想。這些思想實驗無一不證明了這一研究方法的獨特價值。為開展思想實驗做出的假定條件可以是現實中無法做到的，這分兩種情況，其一是經濟條件上不允許，或者實驗倫理受限制，或者是合適的研究對象的稀缺，比如研究腦科學從而獲得諾貝爾醫學獎的斯佩里，他能以做過裂腦術的病患作為研究對象只能算作運氣；此外還有一種情況，即實驗條件受限于科學技術的發展，比如觀察、測量、實驗對象的處理等方面的技術手段達不到要求，在這種情況下開展思想實驗，或許就會有突破性的超越時代的發現。

當前思想實驗作為自然科學的一種研究方法，還被引用到其他科學領域，比如歷史、哲學、倫理學、法制建設、文化藝術等領域都有成功的研究案例乃至作為成熟的研究方法的利用。在教育領域，思想實驗還被創造性地運用于物理、化學、數學、生物等多學科的教學中，有效地培養了學生的思維能力和創造力。近年來，一些學者就思想實驗展開各方面的研究，并形成一些研究成果。如果能夠通過分析思想實驗的典型案例，理清思想實驗的信息加工過程，闡明思想實驗的基本模式，無疑也是具有一定的理論和實踐指導價值的，這正是本文所關注的。

1 思想實驗的典型案例分析及其與常規實驗的

對比

上文已經揭示思想實驗對于科學發展的偉大意義，接下來選擇一些典型案例，從實驗過程上考察它們的共性，并與常規實驗做對比。這樣做有兩個好處，其一是能夠揭示思想實驗的一般過程，此外還可以思考常規實驗的程序和技巧能否遷移到思想實驗這個研究方法上來。

伽利略是偉大的物理學家、天文學家和哲學家，“近代科學之父”的美譽足以說明他在科學發展史上的貢獻，他的光輝思想影響了整個科學的進程。在他發展自己的學說的過程中，不難發現其中一些科學觀念的建立離不開他個人在頭腦中進行的思辨，即思想實驗，比如他的理想斜面實驗、自由落體實驗以及介質落體實驗（筆者自命名）等。因此研究思想實驗，很難繞開伽利略，故此，本文選擇伽利略的介質落體實驗進行分析。為使研究更具有普遍意義，本文還選擇哲學家Philippa Foot的“電車難題”，以不同領域的思想實驗與常規實驗做對比分析。當然，思想實驗的案例非常之多，愛因斯坦、麥克斯韋、薛定諤等人也有很多成功乃至產生深遠影響的思想實驗創舉，本文考慮到案例的說明意義以及限于篇幅，僅選擇以上兩例進行研究分析。為分析的便利，以下兩個案例較完整地引用了原文。

案例1：伽利略的“介質落體實驗”

伽利略在反駁亞里士多德關于落體速度與所通過介質密度成反比的論斷中有這樣一個分析：使一個木球分別在水中和空氣中下落（空氣和水的密度相差10倍），如果按亞里士多德的論斷，先假定木球在空氣中下落速度為20，那么木球在水中下落速度為2，但事實上木球在水中根本不下落，這是一個矛盾；如果能找到一種在水中以速度2下落的物體，那么它在空氣中的下落速度則應為20，但這物體既然在水中下落，它就一定比木頭重，因此，按亞里士多德的理論，它在空氣中的下落速度應超過20，這樣矛盾再度出現，從而否定了亞里士多德關于落體運動的這一論斷[2]。

如果按照常規實驗的步驟來解讀伽利略的這一實驗過程，可以做如下類比：首先，伽利略根據亞里士多德的觀點建立一個虛擬的實驗系統，即按照他的理論建立落體速度和介質密度的聯系，它能夠像真實的實驗儀器一樣對輸入的自變量做出穩定的反應，當然，實驗的反應過程依靠的是伽利略的思辨；其次，相對于常規實驗的自變量操縱，在思想實驗中即是對研究客體特定屬性的選取，對某些參數的設定，這往往是一種抽象的假設，比如設定“木球在空氣中下落速度為20”，并不需要考慮速度的計量單位；第三，在真實實驗中，因變量是通過觀察或測量得到的，而在伽利略的這一實驗中，他依據亞里士多德的理論對因變量進行推測，即推導出“木球在水中下落速度為2”這一結果；最后，對于實驗結果，在思想實驗中主要依靠事實或公理進行評估。圖1展示了這一實驗過程。

值得注意的是，伽利略只是在頭腦中對研究客體進行抽象，并且只抽取相關屬性加以分析，比如木球的重量和速度，甚至可以直接構造一個符合需要的表象，比如“在水中以速度2下落的物體”。伽利略心中的木球并不需要考慮它的顏色、形狀、質地等其他屬性，在分析推理過程中完全可以忽視這些因素，這一點極像常規實驗中對無關變量的控制和排除。

案例2：“電車難題”

“電車難題”是倫理學領域最為知名的思想實驗之一，首次提出這一難題的哲學家Philippa Foot這樣描述：“一個瘋子把5個無辜的人綁在電車軌道上，一輛失控的電車朝他們駛來，并且片刻后就要碾壓到他們。幸運的是，你可以拉一個拉桿，讓電車開到另一條軌道上。但是還有一個問題，那個瘋子在那另一條軌道上也綁了一個人。考慮以上狀況，你應該拉拉桿嗎？”[3]

在這一思想實驗過程中，Philippa Foot利用經驗表象構造一個倫理情境，來推測假想的被試可能的反應，思考其正當性，從而批判倫理哲學中功利主義的思想。與常規實驗做類比，可以認為自變量即被試的價值觀，實驗環境或實驗儀器即這一假設的倫理情境，而被試在此情境下的反應則類似于因變量，最后依據普世價值對這一過程進行評判，引向更深層次的思考。

通過以上這兩個案例與常規實驗的對比分析，可以發現思想實驗的各因素與常規實驗各因素的類比如表1所示。

2 思想實驗的信息加工過程分析

以上兩例思想實驗，都是由批判性思維引發的，不妨把這類思想實驗稱之為批判型思想實驗。其過程充分說明虛擬的實驗情境的重要性，就像在頭腦中建立的實驗室一樣，也可以和常規的實驗儀器設備相類比，如何進行具體的情境設計應該是思想實驗的核心所在，一個首要的問題就是：這一虛擬的實驗情境的構建從哪里開始？通過以上兩個案例的分析可以知道，它們分別來自亞里士多德的論斷以及倫理哲學中功利主義的思想，從本質上來看，這是一些理論或主張。在此，僅結合伽利略的“介質落體實驗”說明其實驗過程。

構建虛擬實驗情境的動力源于實驗者的質疑，他們憑借個人的直覺或其他的原因對這些理論或主張產生疑問，繼而思考這些疑問的適當性，即實驗者需要消除或者證實這些疑問。為了實現這一目標，他們需要把這些理論或主張具體化，即伽利略需要把亞里士多德的“落體速度與所通過介質密度成反比”這一命題描述成具體的情境。分析這一命題，構成反比關系，至少需要考察“落體速度”與“介質密度”這兩個變量的兩組數值。很顯然，伽利略從自己的經驗中選取最易把握也是最常見的空氣和水，以考察某物體在其中的下落過程。根據命題的表述，已知（甚至可以假設）水的密度為空氣密度的10倍，記為：ρ水=10ρ空氣，那么物體在水中的下落速度應該為其在空氣中的下落速度的10倍，記為v水=1/10v空氣，實驗者就此構建一個虛擬的實驗反應系統。

思想實驗主要是依靠邏輯思考推動實驗的反應，其推理過程也有其特殊之處。首先，對于下落的物體，伽利略也是選擇較常見的物體，比如木塊。需要注意的是，在實驗者的頭腦中研究客體是以表象的形式存在的，這一表象又不同于實物在實驗者頭腦中的映象。伽利略心中的木球可以忽略它的顏色、質地等屬性，因此，這是在實物表象基礎上的又一次抽象。對于需要考察的屬性，伽利略直接設定木球在空氣中下落的速度為20，忽略其計量單位，這是一個抽象的速度，可見對于研究客體的屬性也可以進行抽象的設計。這個過程可以稱為自變量的設定階段。然后把該自變量輸入虛擬實驗反應系統，根據由命題推導出來的反應機制得出因變量，即木球在水中下落的速度應該為2。得到實驗結果后，實驗者利用經驗、事實或公理對其進行評價，發現“木球在水中下落的速度應該為2”這一結論與木球在水中并不下落這一事實相矛盾，從而否定了這個虛擬的實驗系統，也就證明了亞里士多德該命題的謬誤。

為了得到更多的依據，使思想實驗更嚴謹，更具說服力，還可以對虛擬實驗系統進行調整或改變研究客體的類別、研究的順序等因素以進行多輪次的推導，正如伽利略第二輪實驗中將木球換作某球作為研究客體，將空氣中的下落速度改為水中的下落速度作為自變量，以進行新的實驗。

最近廣受歡迎的哈佛大學的網絡公開課“公正：該如何做是好？”的第一課是以Philippa Foot的“電車難題”這個案例為核心進行的教學設計[4]。主講人Michael Sandel教授給學生描述了這一情境，但是對其細節進行了調整：“假設你是一輛失控電車的司機，正朝著前方駛去，前方有5個人，即將撞到時發現一個岔口連接著一段廢棄的鐵路，這段鐵路上有一個人，這時你會怎么做？”隨著教學的進行，Sandel教授又逐步變換這一倫理情境引導學生的思考，其中一個情境是：“假設你是外科醫生，你有5名患者分別需要心臟、肺、腎臟、肝臟、胰腺器官做移植手術，但沒有捐獻的器官，他們即將死去。隔壁房間有一個健康人來檢查身體，你愿意犧牲這一個人來救活5位病人嗎？”這一教學過程也是一個思想實驗的過程，在實驗進行中，虛擬的實驗情境逐步變換，聯系伽利略的案例，可以確定虛擬實驗情境的變換即使不是必須的，也是非常重要的。

以上兩個案例都是從對某命題的質疑出發開展的思想實驗，此外還有一種情況，或許是源于人類探求客觀世界的好奇心，比如愛因斯坦突然想起：假設一個人自由落體時，他會不會感到自身的重量[5]？又如他在16歲時的假設：如果能夠趕上光速，能夠看到什么？這些設問包含了兩個過程，即設想和追問，它們推動實驗者構建一個虛擬的實驗情境進行探索。設問本身就是形象化的視覺表象，借助于此，研究者思考自己的問題，當他們遇到困難或者思考深入之后，通常還會變換實驗情境，這一技巧以及隨后對實驗的處理與上文所述的批判性思想實驗并無不同，不再贅述。對于這種由設問引發的思想實驗，不妨稱之為創新型思想實驗。因此，可以認為思想實驗有兩種基本模式，即批判型思想實驗和創新型思想實驗。根據上文對思想實驗的分析，明確了其信息加工過程，正如圖2所示。

3 創新思維和創造技法在思想實驗中的利用

思想實驗是一個充滿創造性的綜合的心理過程，這體現創新思維在多個方面的利用。在構建虛擬情境時，實驗者需要利用聯想、發散、組合等思維形式對自己的經驗表象進行選擇和加工處理，并依據待研究的命題把它們構成一個有機的反應系統。推論過程主要是利用邏輯思維進行理性思考，但是推論的方式卻可以有多種變化，也體現出一定的創造性，正如伽利略由木球在空氣中的下落速度推出其中水中的下落速度，然后再反過來，由某物體在水中的下落速度推測其在空氣中的下落速度，這一思考過程體現了逆反思維的利用。而Michael Sandel教授在教學中首先利用Philippa Foot的電車實驗，隨著討論的進行，他又逐步調整這一倫理難題，這是對實驗因素的替換，體現了橫向思維的利用。此外，對于表象的處理，實驗者也可以進行創造性的發揮，伽利略直接假設有一個在水中下落速度為2物體即是一例，這完全是實驗者按照特定目的就研究客體進行的設計。

思想實驗之所以常有創造性的見解或理論發現，這與研究過程中的發散、聯想、逆向、橫向、組合乃至靈感、直覺等創造性思維的發揮利用是密不可分的，所以在思想實驗的研究過程中，可以有意識地利用一些創造技法。和田十二法提供了12個動詞，即：加、減、擴、縮、變、改、聯、學、代、搬、反、定。這些動詞提示了一種可能的創新途徑，實驗者可以一一檢核，對照自己需要解決的問題尋找實驗設計或實驗處理的思路。例如在伽利略的介質落體實驗中，在選定木球作為研究客體后，可以考慮用“減”的方法，思考可以忽略的屬性；需要一個在水中下落速度為2的物體，可以用“定”的方法直接設定一個參數；而由某物體在水中的下落速度推測其在空氣中的下落速度是對前一實驗過程的“反”的思考。

4 結束語

思想試驗是一種重要的認知方式，在人類的生活實踐中廣泛存在，也是一種特殊的科學研究方法，在人類科技的不同領域都有它的蹤跡。分析實驗者內在的心理過程，闡明思想實驗的信息加工過程有助于人們更深入地理解這一認知方式，更有效規范地利用這一科學研究方法。本文僅僅粗略地闡述了思想實驗的信息加工過程，分析的案例也十分有限，基于認知過程的更具指導意義的研究，以及規范、可行的思想實驗的操作方法的研究還有待進一步開展。

參考文獻

[1]高文武.簡論思想實驗[J].自然辯證法通訊， 1982(05)

[2]閻炳文，姜濤.大師們的思想實驗[J].物理教學探討:中教版，2004，22(07):35-36

[3]十大思想實驗解讀[DB/OL].http://wenku.baidu.com/view/720dd5136edb6f1aff001f45.html

[4]Sandel M.公正：該如何做是好？[DB/OL].http://v.163.com/special/justice

[5]錢克斌.從愛因斯坦的理想實驗談起[J].物理教師:高中版，2005，26(09):3-4

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文