思想实验

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思想实验(Thought experiment)

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什么是思想实验

  所有的实践知识都来自于思想。它们是我们在大脑中有意识的、有条理的、客观的逻辑推理,从而来检验我们的思想和概念,明确我们的思维内容。

  思想实验是指:使用想象力去进行的实验,所做的都是现实中无法做到(或显示未做到)的实验。

  很多复杂的问题,现实中往往无法达到实验要求或条件所限无法满足。而思想实验的优势,就是能够在脑海中创造一个合适的空间,然后通过逻辑想象进行探究。

  历史上有很多著名的思想实验,例如薛定谔的猫,伽利略的重力实验,电车难题,爱因斯坦的光线,猴子和打印机等等。很多思想实验对于不了解特定领域的人也能通过这个过程建立理解。就像这里提到的一些著名实验,有的实验普通人就能通过自己的大脑进行重现,并得出合理的结果。

思想实验的发展

  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,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“一尺之棰,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,因科学探索更广阔更深入,思想实验更加不可或缺。

思想实验的步骤

  1,假设:假设未来的结果;例如:X会导致什么事情发生?

  2,完全反驳事实:与已知事实做完全相反的假设;例如:如果Y发生而不是X,结果会怎么样?

  3,不完全反驳事实:考虑不同的因素如何导致相同的结果;例如:如何Y发生了,而X没发生,结果相同么?

  4,预测:基于现有数据理论预测未来结果,可能涉及心理或计算模型;例如:如果X持续发生,1年后的结果如何?

  5,反向预测:能否根据结果反向预测因素;例如:如果发生了结果,能预测到X么?

  6,重定向:从结果出发,回推假设的原因,通常重定向是为了解决问题和预防问题;例如:是什么造成了X,如何防止它再次发生?

  7,回溯:考虑具体的未来结果,然后从现在开始向前推进一判断其原因;例如:如果X发生在一年前,会导致什么?

  思想实验是用想象力进行的实验,最重要的是过程,而不是结果,在整个过程中,起因是鼓励假设,过程是利用逻辑思维,结果能改变思维范式。每一个阶段都能对自己的思维进行刻意练习

恩斯特·马赫思想实验的方法

  恩斯特·马赫是一名物理学家和哲学家,其研究课题主要包括光的传播规律和超音速现象,马赫数和马赫带引起的命,虽然马赫本人的物理学研究成果局限于实验物理学,但受他影响较大的物理学家不乏相对论和量子物理学理论研究的领军人物,如爱因斯坦、沃尔夫冈·泡利和理查·费曼。这些人为人类认识神奇的弯曲时空和怪异的微观世界作出了巨大的贡献。

  马赫做事之前都会在脑海中进行思想实验:包括计划过程,并在脑海中将计划执行。就像在脑海中过电影一样,把将要做的事情在脑海中预演一遍。马赫认为这是参与复杂任务和突破创造性枷锁不可缺少的一部分。

十大著名思想实验

电车难题(The Trolley Problem)

  “电车难题”是伦理学领域最为知名的思想实验之一,最早是由哲学家Philippa Foot提出的,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?

空地上的奶牛(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?

定时炸弹(The Ticking Time Bomb)

  与电车难题类似,定时炸弹情景也是强迫一个人从两个不道德行径中选择的伦理问题。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。你是否会使用酷刑来获取情报?

爱因斯坦的光线(Einstein'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。

特修斯之船(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?

伽利略的重力实验(Galileo'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。

猴子和打字机(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。

  猴子能碰巧写出《哈姆雷特》这看上去似乎是违反直觉,但实际上在数学上是可以证明的。

  这个定理本身在现实生活中是不可能重现的,但这并没有阻止某些人的尝试: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,它们只打出了5页几乎完全是字母"S"的纸。

中文房间(The Chinese 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。

薛定谔的猫(Schrodinger's Cat)

  薛定谔之猫最早由物理学家薛定谔提出,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计数器上的锤子就会被触发,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。

缸中之脑(Brain in a Vat)

  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?

  这个实验的最初原型可以一直追溯至笛卡尔。在他的《Meditations on the First Philosophy》一书中,笛卡尔提出了能否证明他所有的感官体验都是他自己的,而不是由某个“邪恶的魔鬼”产生的这样的疑问。笛卡尔用他的经典名言 “我思故我在”来回答这个问题。不幸的是,“缸中的大脑”实验更为复杂,因为连接着电极的大脑仍然可以思考。这个实验被广泛的讨论着,有许多对于此实验前提的反驳,但仍没有人能有力的回应其核心问题:你究竟如何才能知道什么是真实?

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