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思想实验在科学史上扮演了重要的角色，但它们能告诉我们有关真实世界的情况吗?
在伽利略的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（Dialogue Concerning the Two Chief World Systems，1632年）中，三位意大利绅士（1位哲学家和两个外行）讨论了宇宙的结构。其中，哲学家萨尔维亚蒂(Salviati)支持哥白尼学说，尽管它需要一个移动的地球，而这在他的对话者看来是有问题的，甚至显得有些荒谬。毕竟，我们感觉不到脚下的地面在移动，云和鸟不像行星在太空中那样呼啸而过，从塔上掉下来的球也并没有远离塔的底部。
但是，萨尔维亚蒂站在伽利略面前，要求他的同伴萨格勒多（Sagredo）和辛普利西奥（Simplicio）重新考虑他们的直觉。他假设有人在大船的桅杆上扔东西下来：如果船在移动，会有什么不同吗?不，萨尔维亚蒂坚持自己的意见。认为无论如何，东西都会落在桅杆的底部。因此，人们无法从这样的实验中得出任何关于“船在运动”的结论。
如果船能运动，那为什么整个地球就不能处于运动状态呢?辛普利西奥驳斥这个观点：萨尔维亚蒂实际上并没有进行这个船动实验，那么他如何确定结果呢?他回答说:“没有实验，但我相信试验效果会像我告诉你的那样发生。”经过进一步的争论之后，辛普利西奥获胜了。
如今，大多数科学家和哲学家认为，只有一种可靠的方法来了解这个世界，即刺戳和拨弄它，哲学家称这种观点为经验主义。当孩子们刺戳和拨弄物体时，通常被叫做玩耍。而当科学家这么做的时候，就叫做观察和实验。但无论如何，我们都通过观察和行动来学习。
但正如伽利略所表明的，这条规则似乎有例外，比如当我们通过只有在头脑中才会发生的特殊实验来了解这个世界的时候。人们称这种方法为“思想实验”，它是一种纯粹的想象。我们思考世界上某些事物的特定布置，然后评估其可能导致的后果。在这样做的过程中，我们似乎学到了一些关于自然规律的东西。
思想实验在物理学的历史中起着至关重要的作用。伽利略是第一个伟大的思想实验大师，而阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）是另一个。在他最著名的思想实验中，伽利略发现，沉重的物体和微小物体以同样的速度下落。在另一个场合（在船上的桅杆参数上），他推导出参考帧以恒定速度运动的等价性(我们现在称之为伽利略相对性)，这是经典物理学的基石。
爱因斯坦也擅长于在他的头脑中表演这些富有想象力的壮举。作为一个年轻人，他想象着在一束光的照射下奔跑会是什么样子，这使他悟出了狭义相对论。后来，他想象着一个正在坠落的人，并意识到在自由落体中，人没有感觉到自己的重量。通过这个洞见，他得出结论，加速度与引力是不可区分的。这个第二次突破被称为“等效原理”，使爱因斯坦收获了他最伟大的成就——广义相对论。
这些例子的共同点是，知识似乎是来自于内心，而不是来自外部。他们不需要实验室，不需要拨款提案，不必真的动手去做什么。当我们进行思想实验时，我们似乎会通过纯粹的自省来学习。“似乎”也许是个关键词。思想实验是否确实对经验主义提出了挑战，这是个激烈争论的问题。
多伦多大学的哲学家詹姆斯·罗伯特·布朗（James Robert Brown）认为，思想实验确实代表了一种认知上的“免费午餐”。他说，它们让我们了解自然规律，这样做甚至不需要弄脏我们的手。
在还是学生的时候，布朗最初倾向于经验主义。他回忆道：“在我看来，经验主义似乎有获胜的希望。”他崇拜柏拉图（Plato）和笛卡尔（René Descartes），这是纯粹理性的拥护，但他却对他们的主张持怀疑态度，即人凭直觉就能洞察自然运作的规律。
然后，布朗听到了伽利略“自由落体”的思想实验，一切由此而改变。这个特殊的思想实验值得仔细观察。它可以在伽利略的最后著作《关于两门新科学的对话和数学的论证》（Discourses and Mathematical Demonstrations Relating to Two New Sciences，1638年）中找到。当伽利略写这本书的时候，他正被软禁在佛罗伦萨，禁止出版任何书籍，但他设法将手稿偷运到荷兰，并在那里印刷。
在这本书中，伽利略让我们想象两个不同重量的物体坠落，比如从高塔上往下扔火球和炮弹。亚里士多德提出的论点以及常识都认为，较重的物体似乎会先着地。但是假设我们把这两个物体用短而硬的杆连接起来。有人可能会说，较轻的火球在较重的炮弹上起到了“刹车”的作用，会减缓后者的坠落速度。你也可以争辩说，复合物体（重量等于两个原始物体总和）肯定比单独的物体下落得更快。这显然是互相矛盾的。伽利略认为，唯一的解释就是所有的物体都以相同的速度下落，无关乎它们的重量。
布朗说：“当我听到这句话时，我从椅子上摔了下来，这也许是我一生中最美妙的智力体验。”布朗继续成为思想实验的权威，他的著作《心灵实验室》(The Laboratory of the Mind，1991年)是对这一主题的最早深入研究之一。
最近，布朗与多伦多大学的同事伊福德·费希格(Yiftach Fehige) 和伦敦经济学院的博士后迈克尔·斯图尔特（Michael Stuart）共同编辑了《思维实验导读》(The Routledge Companion to Thought Experiments，2017年)。然而，即使经过几十年的思想实验，伽利略的“自由落体”仍然是布朗最喜欢的，他说:“我认为每个人都应该发现它有点儿令人眼花缭乱，你可以在没有实际进行实验的情况下找到解决问题的方法。”
如果布朗是正确的，即伽利略通过成功的思考他的方法，理解了关于自然界的深刻东西，那么更重要的是要知道他是如何做到的。布朗的观点是，思想实验让我们得以瞥见“共性”。也就是说，它们让我们认识到有关自然界的普遍真理。就像我们总结出数学真理一样(通过思考它们)，我们也可以认识到关于自然的真理。
换句话说，尽管这个世界充满了物质性的东西，占据了空间，并随着时间的推移而持续存在，但有些关于物质世界的真相却有着非常不自然的味道。它们类似于数学真理，似乎存在于空间和时间之外。布朗认为，这些真理可以凭直觉感知，不需要观察或实验。这是一种可以追溯到柏拉图时代的观点，事实上，布朗很喜欢将自己称为柏拉图主义者。
几十年来，匹兹堡大学的哲学家约翰·诺顿(John Norton)为经验主义阵营对布朗的柏拉图主义进行了驳斥。诺顿认为，思想实验远不能让人看到柏拉图式的真理境界，而只是简单优雅的论证，将生动的画面带给心灵的眼睛。他说，思想实验并非产生新的知识，而是通过分析论证本身所隐含的知识而得出结论。正如他在1996年的论文中所写的那样，思想实验“没有打开通往物质世界的新通道”。
再来看看伽利略的例子。在诺顿看来，我们得出的结论是，亚里士多德的观点是有缺陷的，即物体的速度与重量成正比。我们可能会继续接受伽利略的命题，即所有的物体都以同样的速度下降。但诺顿说，前提是我们接受他精心准备的论证，而这反过来又依赖于大量先前获得的关于这个世界的知识。
对于诺顿来说，要想把所有的思想实验都重建为论证是可能的，他相信这是可以做到的，至少在物理学的思想实验中是这样。他邀请布朗或任何柏拉图派的辩护人，提出一个不能以这种方式改变的思想实验。诺顿认为，这是一个公开的挑战。他说：“为了证明我是错的，你只需要做一个我无法复制的思想实验，但没有这样的实验。”
诺顿挑战的对象是他和布朗似乎都喜欢的一种特殊版本的智力乒乓球。布朗回忆称:“我说：‘来吧，诺顿，这个怎么样?’他通常会在24小时后回复，并把它作为一种论点加以重建。”布朗指出，这些论证结构在技术上是合理的。他们从前提开始，即按照推论或归纳推理的规则进行。布朗说：“我非常愿意相信他能在任何情况下做到这一点。这是一个很大的让步。不过，我不认为他的说法是正确的。”
布朗的担心是，即使一个思想实验可以被重构为一个论证，但这并不是我们在头脑中实际工作的方式。认知过程比诺顿的描述更直观，分析也更少。更确切地说，它更像是一种“顿悟”时刻，即看到了片刻之前隐藏的明显真相。诺顿不同意，他说：“这比布朗说的要复杂得多。我们倾向于看到所有这些东西，因为我们已经以各种各样的方式尝试过。”
诺顿说，在伽利略的例子中，我们通过在学校里学习“自由落体”有所了解，也许更重要的是，这是通过多年观察实际物体的坠落领悟的。他说：“你必须相信认知魔法，相信坐在扶手椅里会让你了解世界。”
这两位思想家的共识是，思想实验就像真正的实验那样，可能是存在缺陷的。其中只有部分实验(例如伽利略的案例)能够真正地揭示大自然的内在运作规律。但在这里，诺顿也存在疑虑:“如果思想实验是‘柏拉图式的感知’，那么告诉我，我怎么知道哪个是好的，哪个是坏的?当然，布朗无法告诉我，因为他也没有办法，你只是感觉如此。”
在诺顿看来，既然布朗无法解释为什么有些思想实验成功了有些失败了，他的整个论点就失败了。布朗反驳说，在这方面，思想实验和普通的物理实验没有什么区别:“就像生活中的任何东西一样，它们是容易犯错的。”对于诺顿来说，更大的问题是哪些思想实验产生知识的机制。从他的角度来看，这些知识只能来自你已经拥有的、可操控的知识。他认为，其他选择都是荒谬的。
诺顿说:“思想实验是一种论证，如果你认为有更多的事情发生，那么你就必须相信，存在某种认知魔法。你必须相信，只要坐在一把扶手椅上思考，在某种程度上就可以为你提供有关这个世界的知识。”
诺顿比较了他和布朗在商场中的位置布局。他说:“你知道当你有个购物中心的时候，你会把诺德斯特龙(百货商店)放在一端，另一端放些别的东西，每个人都在中间跳舞。所以布朗和我已经定义了这片土地，人们试图弄清楚中间为何意。”诺顿说，唯一的问题是，在经验主义和柏拉图主义的辩论中，中间立场没有多大意义。要么你相信一个人是凭经验了解自然的，要么相信你可以凭直觉知道这个世界是怎样运行的。诺顿总结说：“我认为没有任何中间地带。”
布朗也有同感，他说经验主义是“一揽子交易”。在经验主义观点中:“你所知道的一切都基于经验的，没有别的方法可以学习任何东西。为此，如果你认为还有一件事情并非是你通过经验了解的，那你就不再是个经验主义者。这有点儿像无神论者宣称：‘99.999%的事情发生在自然法则之下，这几乎没有什么可惊奇的。’如果你想成为一个无神论者，你就不能相信奇迹存在。”
也许这两种观点都是错误的。思想实验可能既没有进入柏拉图的天界，也没有直接的、普通的论证。乔治亚理工学院的认知科学家南希·纳塞斯安（Nancy Nersessian）提出了第三种可能性，即当我们通过思想实验来思考的时候，我们正在从事她所称的“心智模拟”（mental modelling）。
顾名思义，心智模拟就像我们可以用双手来建立物理模型一样，我们也可以用头脑来构建心智模型。纳塞斯安以美国已故数学家赫伯特·西蒙（Herbert Simon）的例子为证：如何能不去看家里的窗户就知道其数量呢？西蒙认为，只有一种方法可以找到这个问题的答案：你可以在脑海中建立房子模型，并通过虚拟步行穿过它，进而计算出窗户的数量。但虚拟模型不仅仅是真实事物的表象，操纵任何一种模型都涉及到类似的大脑过程，而最近的脑成像研究证实了这一说法。
纳塞斯安说:“心智模型基本上是对你感兴趣的某个系统的结构、功能或行为的一种表达，有些现实世界的系统保留了你从感知中得到的感觉和运动特性。”当我们操控一个心智模型时，她认为我们使用了“一些与操控现实世界中事物同样的处理方法”。
乍一看，这一观点似乎更符合诺顿的观点，而非布朗的看法。但纳塞斯安不喜欢柏拉图主义，她说：“在我们可以肯定地谈论物理世界之前，我们必须进行真正的实验，而不仅仅是思想实验。”另一方面，纳塞斯安的说法似乎更赞同布朗的观点，即我们在脑海中“看到”的东西并非是诺顿关于构建论点的概念。用纳塞斯安的话来说，当你进行思想实验时，你是在“创造一种具有某种结构和行为特性的情境”。然后我们对这些属性进行操作并得出一个推论，你直接通过操纵来推断，而不是依靠推断来得出结论。
布朗对此表示赞同。即使有些思想实验可以被重新定义为论证，“实际上的科学思维是个更快的地狱”，我们在“任何人做这个重构之前很久”就得出了答案。
但是，和诺顿一样，纳塞斯安认为，看似先天的直觉实际上依赖于基础的经验知识。她把思想实验看作是“从我们的世界中具体经验推断出来的结论”。考虑下伽利略的“自由落体”试验，她说:“你体验过重物和轻物，你知道它们的感受。”而伽利略的思想实验“借鉴了你感受这些东西的基本经验”。
美国塔夫斯大学哲学家、认知科学家丹尼尔·丹尼特（Daniel Dennett）也有类似的观点，他写了大量关于思想实验的文章。他对许多著名的哲学思想实验进行批评，包括约翰·塞尔（John Searle）的“中文屋论证”(Chinese room，认为单纯的语法不足以产生语义，单纯的计算不足以产生心灵，进而认为计算机无法产生思维)和弗兰克·杰克逊（Frank Jackson）的“知识论证”(knowledge argument，试图证明有关现象意识的事实是非物理的现象事实，而物理事实和知识是关于整个世界完整描述的物理主义观点是错误的)。
丹尼特将思想实验描述为“直觉泵”（intuition pump），即你思考问题的方式。他们可以促使读者以新的方式看待问题，这使他们感到难以置信的强大，但可能会被误导。就像诺顿和纳塞斯安那样，丹尼特对柏拉图主义也没有耐心。他说：“凭直觉感知自然规律的想法让我觉得很有意思，但它已经过时了。”
丹尼特认为，任何关于世界的知识都可以通过思想实验获得，而它们不仅仅来自于思想。如果你认为事实的确如此，那仅仅是因为我们没有考虑到人们的思想是什么，以及它们是如何工作的。丹尼特认为，思想并非是凭空出现的。相反，它们是我们作为能思考、有经验的个体以及物种在漫长发展历程中进化出的结果，这个过程与物质世界的联系十分紧密。
当我们“凭直觉”得知伽利略“自由落体”的思想实验时，我们可以从丰富的进化遗产中获益。丹尼特说:“能够想象和遵循这个思想实验的思想首先在数亿年的时间里得到进化和丰富，而进化创造了在这个世界里由各种因素造成的结构和倾向。头脑也得到发育和成长，学习了一种自然语言，懂得如何理解思维实验的术语，所有这些都作为丰富的经验被重新嵌入世界中。”
布朗对柏拉图主义缺乏热情丝毫不感到苦恼。相反，令他感到高兴的是，曾经相对被忽视的哲学分支催生出了如此丰富的、跨学科的讨论和越来越多的学术著作。他尤其感到欣慰的是，他看到了这样的问题：思想实验是如何得到它应得的审查的？布朗表示：“我对思想实验的大体看法是，它们以各种不同的方式工作。它们就像真正的实验，以各种不同的方式进行。我认为诺顿在某些情况下可能是对的，它们实际上只是参数。我还认为，像纳塞斯安这样的人在某些时候也是正确的，她的心智模型对发生的事情的模拟很可能是正确的。”
即使如此，布朗仍然坚持他的“柏拉图式”观点。他说：“我认为，有非常少量的思想实验（比如伽利略的自由落体），我们实际上对自然有先天上的认识。这就是我和诺顿观点最大的分歧所在。”
如果布朗是正确的，有些关于世界的真理确实可以通过纯粹思想的力量推断出来，其影响将是巨大的。首先，这自然引出了许多问题：为什么我们只会偶尔看到柏拉图式的真理？为什么这些思想实验不同于其他案例呢?但更重要的是，布朗的立场是对我们过去400年来对知识的思考方式的冒犯。
从面包师到律师，每个人都认为，他们所看到和接触的东西最终都是重要的：我们在现实世界里烘焙面包和评判案例，而不是在柏拉图的天堂里。正如诺顿所言:“我们不会只因为一名检察官‘知道被告有罪’就将其定罪。最重要的是，科学是最重视观察的学科。诺顿指出：“如果布朗是对的，我们可以通过扶手椅来了解大自然的规律，那我们为何不把更多的资源投入到扶手椅中，而是投入欧洲核子研究中心（CERN）?”
布朗并不比诺顿更热衷于改变科学规则，但他认为经验主义失败或称“不完整”的最好证据并不是来自于科学，而是来自数学和伦理学。经验论无法解释为什么2的平方根是个无理数，或者为什么无缘无故地伤害某人在道德上是错误的。
尽管布朗赞赏诺顿在经验主义的方舟上继续进行思想实验的尝试，但他怀疑这艘船已经漏水，没有任何修复的希望。布朗说：“诺顿的主张最大优点是挽救了经验主义。但我对挽救它不以为然，因为我从来都不是经验主义者。我始终认为经验主义是数学和伦理学的失败。我不喜欢它，也并不想拯救它。”
本文来源：网易科学人
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