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人类通过思想实验揭示世界真相的传统由来已久。在科学史上，古代以柏拉图和亚里士多德等为代表的哲人们很少动手进行物质实验，他们认识世界的手段主要是思想实验。近代科学以后，物质实验逐渐受到重视，在短短的几百年间，人们几乎将物质实验的功能发挥到了极致。但随着科学对于世界本原的追问逐渐推进到一个更为深远的空间，物质实验由于其固有的不足而受到限制，在宇观世界的探索中，思想实验的重要作用将再次显现。

柏拉图在他的《理想国》中构建了一个思想实验：有些人生活在一个地下洞穴里，洞穴与外面的世界之间有一条长长的通道相连。洞穴人从小就生活在这里，他们的腿和脖子被固定住而无法动弹，因此他们只能面对墙壁站立，且只能向前看，而不能四处张望，更不能回头看。在他们身后的高处有一些燃烧的火光，并且火与洞穴人之间有一堵矮墙。那么，当有人在墙的另一侧拿着各种各样的人像、动物模型等人造物举过矮墙，同时说话或发出其他的声音时，洞穴人由于看不到身后的人造物和火光，只能看到人造物投射到他们面前墙壁上的投影，并同时听到各种声音，而会据此判断投影和声音之间存在某种关系，并形成他们有关世界的认识。

在这一思想实验中，柏拉图想告诉人们，只有那些摆脱了枷锁环顾四周的人，才能知晓包括自己、火光、人造物、声音等的本来面目；只有走出洞穴，在阳光的照耀下，洞穴人才能发现世界的真相。不过这样的人只是极少数，真理始终只能被少数人拥有。在更多的时候，各种各样的影像及声音便构成了绝大多数洞穴人所认知的世界的全部。世界影像说是古代哲人认识世界的最高成就之一，其对于世界的本原、人的经验、对世界的认知三者之间关系的思考，直至今天依然极具启发意义。

据爱因斯坦回忆，他16 岁时就在头脑中设想过一个追光实验：如果我以速度c（真空中的光速）追随一条光线运动，那么我就应当看到，这样一条光线就好像一个在空间中震荡而停滞不前的电磁场。在经典物理学理论体系中，这是一个悖论现象。因为无论是牛顿的经典力学理论，还是麦克斯韦方程，都不允许这样一个在空间中震荡，却又处于停滞不前状态的电磁场的存在。事实上，悖论现象的产生根源于牛顿的绝对时空观。爱因斯坦指出，只要时间的绝对性或同时性的绝对性这条公理不知不觉地留在潜意识里，那么任何想要令人满意地澄清这个悖论的尝试，都是注定要失败的。问题的解决必须抛弃经典物理学的绝对时空观，因为追光实验中的那个追随光线运动的“我”所看到的一切，应当像一个相对于地球是静止的观察者所看到的一样，都按照同样的自然规律进行。这个思想实验中孕育着狭义相对论的萌芽。

近年来，天文学家们在先进的仪器设备的帮助下，取得了一系列观测成就。2015 年7 月，冥王星终于迎来了它的第一位访客——新视野号探测器，随之人类得以首次一睹它的真容。这是天文学史上的一件令人振奋的大事。同样是在2015 年7 月，开普勒太空望远镜发现了一颗迄今为止与地球最为相似的系外行星——开普勒452b，引发了人类的高度关注。此外，好奇号探测器自2012 年在火星登陆后，将大量照片发回地球，也为人类认识火星提供了珍贵的资料。不过，在探索浩瀚宇宙的进程中，这些只代表了当前人类直接观测证据的最高水平。而目前人类对宇观世界探索的前沿，早已推进到一个人类探测器无法进行直接观测的空间。特别是在人们发现宇宙在不断加速膨胀之后，这种情况就更为明显了。

1998 年，美国索尔·帕尔玛特领导的超新星宇宙学项目，通过对遥远的超新星进行跟踪观测后发现，这些超新星发出的光的波长比传统的宇宙模型所允许的理论值要大，亦即其平均亮度比预想的要暗，而且越远的超新星其光波就越长。这就意味着，1929 年哈勃发现宇宙在膨胀之后认为宇宙在减速或匀速膨胀的理论存在问题。该项目所得出的数据表明，宇宙一直在加速膨胀。差不多同时，澳大利亚的另一个天文学小组，在通过长期的观测研究后也得到了相同的结论。这两个小组由于此发现而获得了2011 年诺贝尔物理学奖。

宇宙加速膨胀论告诉我们，越是遥远的天体，其运行的速度就越快，而且还处在不断加速之中。也就是说，这些天体都在以越来越快的速度远离我们而去。从探索的手段上看，传统的光学望远镜早已满足不了人们对遥远的天体探测的需要，红外望远镜、射线望远镜和引力透镜等是目前宇宙观测的主要工具。事实上，这些新时代的望远镜已经逐渐将对宇观世界的研究从人们熟悉的直接观测转变为间接观测。即便如此，仅仅依靠引力透镜等观测到的遥远世界的零散信息显然无法实现人们的认知。必须运用思想实验，方可基于间接经验实现对世界的合理认知。

显然，当下的科学对世界本原的追问已经进步了很多，如今的科学所展示的影像早已今非昔比。不过，直到今天，人们对世界的认识与柏拉图的光源隐喻所揭示的影像说在本质上依然是一致的，霍金的金鱼缸思想实验是宇观科学前沿的世界新影像的代表。

在金鱼缸思想实验中，霍金设想，当金鱼观察世界时，会由于鱼缸的透镜作用，而看到一个扭曲的世界。但霍金认为，如果金鱼拥有和人类一样的智力的话，它就可以从它们变形的参考系中总结出一个科学定律，而且它们也能运用这一定律去预言缸外物体的运动轨迹。霍金认为，或许人类也生活在一个大的宇宙缸中，而且目前人类对世界的所有认识理论，包括相对论，与金鱼定律并无本质区别，都只是有关世界的一个正确的图像。由于金鱼定律和相对论这两个理论模型都与观测相符合，“那么人们不能讲这一个比另一个更真实”。二者无真假之别。

传统的科学观认为，一个好的科学理论必须要能够经受得起实验的反复验证，但在对世界本原的认识上，特别是在沿着加速膨胀的宇宙的时间箭头，往回追溯宇宙起源的宇宙大爆炸学说时，我们将可能“遇到一个也许永远也不会被实验所证实的理论”。此外，当前宇宙学前沿对多重宇宙、宇宙膜、宇宙弦等的探索，皆可能面临相同的情形。因此，在未来认识世界的科学前沿，思想实验依然会发挥重要作用。

本文摘编自赵煦，管雪松著《思想实验研究：以当代科学前沿为背景》第六章部分内容，略有删减改动。

《思想实验研究：以当代科学前沿为背景》

（协调论科学哲学论丛/马雷主编）

作者：赵煦、管雪松

责任编辑：刘溪、张翠霞

北京：科学出版社，2018.9

ISBN 978-7-03-058804-3

《思想实验研究：以当代科学前沿为背景》是以自然科学中的思想实验为研究对象的哲学专著，主要以科学哲学、科学史的学科性质为背景，意在从本体论层面对思想实验进行深入研究，进而探寻思想实验的本质特征及其发挥作用的内在机制，为当代科学前沿的发展难题的消解提供启示。

本书主要内容包括思想实验在科学史中的地位重构、思想实验与物质实验的比较研究、逻辑推理在思想实验中的作用、思想实验的本质特征的探寻、思想实验在科学前沿的两个主要方向一一微观和宇观探索中的具体运用，以及思想实验对当代大科学问题的消解。

（本期编辑：小文）

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