思想實(shí)驗(yàn)的信息加工過程研究

摘要 提出思想實(shí)驗(yàn)是一種科學(xué)研究方法和認(rèn)知方式，通過分析兩個思想實(shí)驗(yàn)的典型案例，闡明由命題的質(zhì)疑或設(shè)問引發(fā)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)情境，選擇、加工表象作為研究客體，然后進(jìn)行推理和驗(yàn)證的信息加工過程，并提出思想實(shí)驗(yàn)的基本模式。

關(guān)鍵詞 思想實(shí)驗(yàn)；信息加工；表象；虛擬實(shí)驗(yàn)情境

中圖分類號：G424.31 文獻(xiàn)標(biāo)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(shí)驗(yàn)是利用想象力進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，擺脫了具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對象，通常能夠做到在現(xiàn)實(shí)中無法實(shí)現(xiàn)或沒有做到的實(shí)驗(yàn)。在人們的工作和生活中，思想實(shí)驗(yàn)是一種普遍存在的認(rèn)知方式。當(dāng)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(wǎng)絡(luò)上看到一個非常有趣的游戲，叫做吉普賽人古老的讀心術(shù)，宣稱能夠測算出被試內(nèi)心做出的選擇。筆者只是設(shè)想這么一個情境：如果兩個人同時做這一個游戲而他們內(nèi)心的選擇并不同，結(jié)果會如何？甚至是一個幾十人的群體同時做這個游戲結(jié)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(shí)驗(yàn)當(dāng)成一種科學(xué)方法加以研究，已有近百年歷史。馬赫的《論思想實(shí)驗(yàn)》、愛因斯坦與英費(fèi)爾德合著的《物理學(xué)的進(jìn)化》、庫恩的《思想實(shí)驗(yàn)的一種作用》都是研究思想實(shí)驗(yàn)的重要文獻(xiàn)[1]。作為科學(xué)研究方法，思想實(shí)驗(yàn)具有不可替代的作用。在科學(xué)史上，伽利略利用理想斜面實(shí)驗(yàn)批駁了亞里士多德力學(xué)的錯誤觀點(diǎn)，形成牛頓慣性定律的基本思想；“麥克斯韋妖”實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致廣義熵增加原理的建立；愛因斯坦的“追光實(shí)驗(yàn)”令他萌發(fā)相對論的宏偉思想。這些思想實(shí)驗(yàn)無一不證明了這一研究方法的獨(dú)特價值。為開展思想實(shí)驗(yàn)做出的假定條件可以是現(xiàn)實(shí)中無法做到的，這分兩種情況，其一是經(jīng)濟(jì)條件上不允許，或者實(shí)驗(yàn)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(xué)從而獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)獎的斯佩里，他能以做過裂腦術(shù)的病患作為研究對象只能算作運(yùn)氣；此外還有一種情況，即實(shí)驗(yàn)條件受限于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，比如觀察、測量、實(shí)驗(yàn)對象的處理等方面的技術(shù)手段達(dá)不到要求，在這種情況下開展思想實(shí)驗(yàn)，或許就會有突破性的超越時代的發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)前思想實(shí)驗(yàn)作為自然科學(xué)的一種研究方法，還被引用到其他科學(xué)領(lǐng)域，比如歷史、哲學(xué)、倫理學(xué)、法制建設(shè)、文化藝術(shù)等領(lǐng)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(lǐng)域，思想實(shí)驗(yàn)還被創(chuàng)造性地運(yùn)用于物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、生物等多學(xué)科的教學(xué)中，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的思維能力和創(chuàng)造力。近年來，一些學(xué)者就思想實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的典型案例，理清思想實(shí)驗(yàn)的信息加工過程，闡明思想實(shí)驗(yàn)的基本模式，無疑也是具有一定的理論和實(shí)踐指導(dǎo)價值的，這正是本文所關(guān)注的。

1 思想實(shí)驗(yàn)的典型案例分析及其與常規(guī)實(shí)驗(yàn)的

對比

上文已經(jīng)揭示思想實(shí)驗(yàn)對于科學(xué)發(fā)展的偉大意義，接下來選擇一些典型案例，從實(shí)驗(yàn)過程上考察它們的共性，并與常規(guī)實(shí)驗(yàn)做對比。這樣做有兩個好處，其一是能夠揭示思想實(shí)驗(yàn)的一般過程，此外還可以思考常規(guī)實(shí)驗(yàn)的程序和技巧能否遷移到思想實(shí)驗(yàn)這個研究方法上來。

伽利略是偉大的物理學(xué)家、天文學(xué)家和哲學(xué)家，“近代科學(xué)之父”的美譽(yù)足以說明他在科學(xué)發(fā)展史上的貢獻(xiàn)，他的光輝思想影響了整個科學(xué)的進(jìn)程。在他發(fā)展自己的學(xué)說的過程中，不難發(fā)現(xiàn)其中一些科學(xué)觀念的建立離不開他個人在頭腦中進(jìn)行的思辨，即思想實(shí)驗(yàn)，比如他的理想斜面實(shí)驗(yàn)、自由落體實(shí)驗(yàn)以及介質(zhì)落體實(shí)驗(yàn)（筆者自命名）等。因此研究思想實(shí)驗(yàn)，很難繞開伽利略，故此，本文選擇伽利略的介質(zhì)落體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。為使研究更具有普遍意義，本文還選擇哲學(xué)家Philippa Foot的“電車難題”，以不同領(lǐng)域的思想實(shí)驗(yàn)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)做對比分析。當(dāng)然，思想實(shí)驗(yàn)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(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的思想實(shí)驗(yàn)創(chuàng)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(jìn)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(zhì)落體實(shí)驗(yàn)”

伽利略在反駁亞里士多德關(guān)于落體速度與所通過介質(zhì)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(shí)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(yīng)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(yīng)超過20，這樣矛盾再度出現(xiàn)，從而否定了亞里士多德關(guān)于落體運(yùn)動的這一論斷[2]。

如果按照常規(guī)實(shí)驗(yàn)的步驟來解讀伽利略的這一實(shí)驗(yàn)過程，可以做如下類比：首先，伽利略根據(jù)亞里士多德的觀點(diǎn)建立一個虛擬的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，即按照他的理論建立落體速度和介質(zhì)密度的聯(lián)系，它能夠像真實(shí)的實(shí)驗(yàn)儀器一樣對輸入的自變量做出穩(wěn)定的反應(yīng)，當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)過程依靠的是伽利略的思辨；其次，相對于常規(guī)實(shí)驗(yàn)的自變量操縱，在思想實(shí)驗(yàn)中即是對研究客體特定屬性的選取，對某些參數(shù)的設(shè)定，這往往是一種抽象的假設(shè)，比如設(shè)定“木球在空氣中下落速度為20”，并不需要考慮速度的計(jì)量單位；第三，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中，因變量是通過觀察或測量得到的，而在伽利略的這一實(shí)驗(yàn)中，他依據(jù)亞里士多德的理論對因變量進(jìn)行推測，即推導(dǎo)出“木球在水中下落速度為2”這一結(jié)果；最后，對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在思想實(shí)驗(yàn)中主要依靠事實(shí)或公理進(jìn)行評估。圖1展示了這一實(shí)驗(yàn)過程。

值得注意的是，伽利略只是在頭腦中對研究客體進(jìn)行抽象，并且只抽取相關(guān)屬性加以分析，比如木球的重量和速度，甚至可以直接構(gòu)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(zhì)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(diǎn)極像常規(guī)實(shí)驗(yàn)中對無關(guān)變量的控制和排除。

案例2：“電車難題”

“電車難題”是倫理學(xué)領(lǐng)域最為知名的思想實(shí)驗(yàn)之一，首次提出這一難題的哲學(xué)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(yùn)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(yīng)該拉拉桿嗎？”[3]

在這一思想實(shí)驗(yàn)過程中，Philippa Foot利用經(jīng)驗(yàn)表象構(gòu)造一個倫理情境，來推測假想的被試可能的反應(yīng)，思考其正當(dāng)性，從而批判倫理哲學(xué)中功利主義的思想。與常規(guī)實(shí)驗(yàn)做類比，可以認(rèn)為自變量即被試的價值觀，實(shí)驗(yàn)環(huán)境或?qū)嶒?yàn)儀器即這一假設(shè)的倫理情境，而被試在此情境下的反應(yīng)則類似于因變量，最后依據(jù)普世價值對這一過程進(jìn)行評判，引向更深層次的思考。

通過以上這兩個案例與常規(guī)實(shí)驗(yàn)的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)思想實(shí)驗(yàn)的各因素與常規(guī)實(shí)驗(yàn)各因素的類比如表1所示。

2 思想實(shí)驗(yàn)的信息加工過程分析

以上兩例思想實(shí)驗(yàn)，都是由批判性思維引發(fā)的，不妨把這類思想實(shí)驗(yàn)稱之為批判型思想實(shí)驗(yàn)。其過程充分說明虛擬的實(shí)驗(yàn)情境的重要性，就像在頭腦中建立的實(shí)驗(yàn)室一樣，也可以和常規(guī)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備相類比，如何進(jìn)行具體的情境設(shè)計(jì)應(yīng)該是思想實(shí)驗(yàn)的核心所在，一個首要的問題就是：這一虛擬的實(shí)驗(yàn)情境的構(gòu)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(xué)中功利主義的思想，從本質(zhì)上來看，這是一些理論或主張。在此，僅結(jié)合伽利略的“介質(zhì)落體實(shí)驗(yàn)”說明其實(shí)驗(yàn)過程。

構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)情境的動力源于實(shí)驗(yàn)者的質(zhì)疑，他們憑借個人的直覺或其他的原因?qū)@些理論或主張產(chǎn)生疑問，繼而思考這些疑問的適當(dāng)性，即實(shí)驗(yàn)者需要消除或者證實(shí)這些疑問。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，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(zhì)密度成反比”這一命題描述成具體的情境。分析這一命題，構(gòu)成反比關(guān)系，至少需要考察“落體速度”與“介質(zhì)密度”這兩個變量的兩組數(shù)值。很顯然，伽利略從自己的經(jīng)驗(yàn)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(jù)命題的表述，已知（甚至可以假設(shè)）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(yīng)該為其在空氣中的下落速度的10倍，記為v水=1/10v空氣，實(shí)驗(yàn)者就此構(gòu)建一個虛擬的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)系統(tǒng)。

思想實(shí)驗(yàn)主要是依靠邏輯思考推動實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)，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(shí)驗(yàn)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(shí)物在實(shí)驗(yàn)者頭腦中的映象。伽利略心中的木球可以忽略它的顏色、質(zhì)地等屬性，因此，這是在實(shí)物表象基礎(chǔ)上的又一次抽象。對于需要考察的屬性，伽利略直接設(shè)定木球在空氣中下落的速度為20，忽略其計(jì)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(jìn)行抽象的設(shè)計(jì)。這個過程可以稱為自變量的設(shè)定階段。然后把該自變量輸入虛擬實(shí)驗(yàn)反應(yīng)系統(tǒng)，根據(jù)由命題推導(dǎo)出來的反應(yīng)機(jī)制得出因變量，即木球在水中下落的速度應(yīng)該為2。得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果后，實(shí)驗(yàn)者利用經(jīng)驗(yàn)、事實(shí)或公理對其進(jìn)行評價，發(fā)現(xiàn)“木球在水中下落的速度應(yīng)該為2”這一結(jié)論與木球在水中并不下落這一事實(shí)相矛盾，從而否定了這個虛擬的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，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(jù)，使思想實(shí)驗(yàn)更嚴(yán)謹(jǐn)，更具說服力，還可以對虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整或改變研究客體的類別、研究的順序等因素以進(jìn)行多輪次的推導(dǎo)，正如伽利略第二輪實(shí)驗(yàn)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(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)。

最近廣受歡迎的哈佛大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行的教學(xué)設(shè)計(jì)[4]。主講人Michael Sandel教授給學(xué)生描述了這一情境，但是對其細(xì)節(jié)進(jìn)行了調(diào)整：“假設(shè)你是一輛失控電車的司機(jī)，正朝著前方駛?cè)ィ胺接?個人，即將撞到時發(fā)現(xiàn)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(xué)的進(jìn)行，Sandel教授又逐步變換這一倫理情境引導(dǎo)學(xué)生的思考，其中一個情境是：“假設(shè)你是外科醫(yī)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(shù)，但沒有捐獻(xiàn)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(xué)過程也是一個思想實(shí)驗(yàn)的過程，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，虛擬的實(shí)驗(yàn)情境逐步變換，聯(lián)系伽利略的案例，可以確定虛擬實(shí)驗(yàn)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(zhì)疑出發(fā)開展的思想實(shí)驗(yàn)，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(shè)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(shè)：如果能夠趕上光速，能夠看到什么？這些設(shè)問包含了兩個過程，即設(shè)想和追問，它們推動實(shí)驗(yàn)者構(gòu)建一個虛擬的實(shí)驗(yàn)情境進(jìn)行探索。設(shè)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(dāng)他們遇到困難或者思考深入之后，通常還會變換實(shí)驗(yàn)情境，這一技巧以及隨后對實(shí)驗(yàn)的處理與上文所述的批判性思想實(shí)驗(yàn)并無不同，不再贅述。對于這種由設(shè)問引發(fā)的思想實(shí)驗(yàn)，不妨稱之為創(chuàng)新型思想實(shí)驗(yàn)。因此，可以認(rèn)為思想實(shí)驗(yàn)有兩種基本模式，即批判型思想實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型思想實(shí)驗(yàn)。根據(jù)上文對思想實(shí)驗(yàn)的分析，明確了其信息加工過程，正如圖2所示。

3 創(chuàng)新思維和創(chuàng)造技法在思想實(shí)驗(yàn)中的利用

思想實(shí)驗(yàn)是一個充滿創(chuàng)造性的綜合的心理過程，這體現(xiàn)創(chuàng)新思維在多個方面的利用。在構(gòu)建虛擬情境時，實(shí)驗(yàn)者需要利用聯(lián)想、發(fā)散、組合等思維形式對自己的經(jīng)驗(yàn)表象進(jìn)行選擇和加工處理，并依據(jù)待研究的命題把它們構(gòu)成一個有機(jī)的反應(yīng)系統(tǒng)。推論過程主要是利用邏輯思維進(jìn)行理性思考，但是推論的方式卻可以有多種變化，也體現(xiàn)出一定的創(chuàng)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(xiàn)了逆反思維的利用。而Michael Sandel教授在教學(xué)中首先利用Philippa Foot的電車實(shí)驗(yàn)，隨著討論的進(jìn)行，他又逐步調(diào)整這一倫理難題，這是對實(shí)驗(yàn)因素的替換，體現(xiàn)了橫向思維的利用。此外，對于表象的處理，實(shí)驗(yàn)者也可以進(jìn)行創(chuàng)造性的發(fā)揮，伽利略直接假設(shè)有一個在水中下落速度為2物體即是一例，這完全是實(shí)驗(yàn)者按照特定目的就研究客體進(jìn)行的設(shè)計(jì)。

思想實(shí)驗(yàn)之所以常有創(chuàng)造性的見解或理論發(fā)現(xiàn)，這與研究過程中的發(fā)散、聯(lián)想、逆向、橫向、組合乃至靈感、直覺等創(chuàng)造性思維的發(fā)揮利用是密不可分的，所以在思想實(shí)驗(yàn)的研究過程中，可以有意識地利用一些創(chuàng)造技法。和田十二法提供了12個動詞，即：加、減、擴(kuò)、縮、變、改、聯(lián)、學(xué)、代、搬、反、定。這些動詞提示了一種可能的創(chuàng)新途徑，實(shí)驗(yàn)者可以一一檢核，對照自己需要解決的問題尋找實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)或?qū)嶒?yàn)處理的思路。例如在伽利略的介質(zhì)落體實(shí)驗(yàn)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(shè)定一個參數(shù)；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(shí)驗(yàn)過程的“反”的思考。

4 結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)

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[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(shí)驗(yàn)談起[J].物理教師:高中版，2005，26(09):3-4

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