基本介紹
- 中文名：思想實驗
- 外文名：thought experiment
- 舉例：伽利略
- 內容：使用想像力去進行的實驗
簡介,緣由,價值,區別,基本特徵,理想性,邏輯性,啟發性,經濟性,革命性,類型,批判型,變革型,綜合型,檢驗,概述,特殊性,一般程式,建構,原則,價值,內在,外在,評價,十大概念,電車難題,空地上的奶牛,定時炸彈,愛因斯坦的光線,特修斯之船,伽利略的重力實驗,猴子和打字機,中文房間,薛定鍔的貓,缸中的大腦,
簡介
思想實驗是一種在人的頭腦中進行的理性思維活動，這種思維活動按照實驗的格式展開，所以也稱為“實驗”。在科學日益發展的今天，我們的認識活動越來越遠離日常的直觀經驗和直覺，科學研究活動所需的儀器設備日益純化、理想化，物化實驗有時無法滿足科學發展的需要，運用思想實驗進行科學研究就成為一種必然。
緣由
思想實驗是科學家在頭腦中設計和構造出一套純粹的、理想化的儀器設備和研究對象，並對它進行純粹的理想化的實驗操作和控制，使與實驗對象的某些因素以絕對簡化、純化、被設定、限制的形式表現出來；然後通過對這種理想化對象的感知和描述，發現和獲取科學事實與自然規律的思維活動。思想實驗在愛因斯坦那裡得到了高度綜合和充分發展，被叫做思想實驗和理想實驗。後來，有人把它稱為“抽象實驗”、“假想思想”、“思想實驗”和“理想實驗”等等。
思想實驗早在古代就已經有了萌芽，古希臘科學家阿基米德在研究面積和體積時，總是先作一種思想上的“實驗”。“想像把用均勻材料切成一定形狀的平面物體通過稱量，以測量它的面積，這樣就對它們的關係有所了解，然後再從數學上進行證明。”
到了近代，它逐漸從思辨的形式轉變為科學的思想實驗。科學的思想實驗從伽利略開始，可以說17世紀是科學的思想實驗的發源時期。到了現代科學時期，因科學探索更廣闊更深入，思想實驗更加不可或缺。
價值
實驗對於自然科學來說，是科學認識的一種最基本的方法。任何實際的實驗都是感性物質活動、感性認識活動。科學家、儀器設備、考察對象、環境條件都是感性存在與感性直觀的對象，構成了現實的科學實踐與認知系統。一切物化實驗都會受到主客觀條件的限制，以及儀器設備的操作等限制，因此，就會使所要考查對象的有關因素不能達到絕對的簡化、純化，達不到預期的目的。為了克服、超越物化實驗的各種限制，科學家在自己的認知活動中常常利用思想實驗來解決問題。
區別
理想實驗與思想實驗的區別
理想實驗與思想實驗雖同屬抽象的思想實驗，但它們之間又有著不同，若混淆兩者關係，客觀上勢必會造成科研的盲目性，使研究者無所適從，甚至會給科學技術發展帶來不利影響。
科學史上，對思想實驗的兩種情況不加區分不乏其例。如超導問題，在未實驗以前，普遍認為電阻為零的現象是不可能實現的一種理想化狀態。這種認識，在一定程度上一度影響了對它的實踐探索。又如愛因斯坦和英費爾德曾構想了一個“單電子衍射”實驗，並且認為這是一個理想實驗，事實上不可能實現，但這一構想後來被前蘇聯科學家通過物化實驗做成功了。
理想實驗是指將實驗對象、實驗過程理想化，將邏輯思維與直覺、形象思維有機結合突出事物、條件的理想狀態，但它在實踐中並不存在。這種理想狀態無法在物化實驗中表現，理想實驗的結果只是對客觀事實極限的近似值描述。
理想實驗有別於理想模型。理想模型是通過高度抽象建立起來的描述理想客體的模型。自然科學領域所探討的現象，有不少是理想化的客體，如質點、絕對剛體、絕對黑體、理想流體、理想溶液等等，這些理想客體模型可以回歸到原型。理想實驗排除了物化實驗中無法排除的干擾，使得研究的問題達到高度的理想化。理想實驗的結果雖然可以無限接近客觀事實，但在實踐中永遠無法實現。卡諾熱機循環實驗，愛因斯坦構想的“雙生子佯謬實驗”等，都是理想實驗。
思想實驗是指在特定的條件下，依靠科學原理，通過邏輯推論在頭腦中實施的實驗活動，它按物化實驗的格式展開，主要過程和結果均以邏輯的形式表述。馬赫說：“思想實驗的基本方法和物理實驗相同。”它是在物化實驗無法進行的情況下採用的一種特定的科學研究方法。雖然其結果是未經證實的認識，但在物化條件具備的情況下，能得到科學實踐的檢驗。
伽利略否定了亞里士多德的落體定律之後，斯台文作了一項實驗，證實了這一見解。斯台文寫道：“反對亞里士多德的實驗是這樣的：讓我們拿兩隻鉛球，其中一隻比另一隻重十倍，把它們從三十尺的高度同時丟下來，落在一塊木板或者什麼可以發出清晰聲響的東西上面，那么，我們看出輕鉛球並不需要比重鉛球十倍的時間，而是同時落到木板上，因此它們發出的聲音聽上去就像是一個聲音一樣”。
思想實驗的本質在於以理論原理為依託，但也須藉助於經驗表象，它通過概念和邏輯與客觀世界的本來面目聯繫，表明它以邏輯推理為主，但也包含經驗的內容。因為它揭示著獲取自然信息的途徑，引導人們產生新的發現。思想實驗經常被當作理想化的產物，如討論一些東西如何在沒有摩擦力的平面運動，根本不需要實驗就可以得出，因為它只涉及到計算。
伽利略曾經提出：“沒有實驗，我確信結果也會像我所告訴你一樣發生，因為它必須以那種方式發生。”伽利略的意思是：思想實驗可以產生一個無須通過物化實驗得到的結果。著名的法國科學史家，亞歷山大·柯瓦雷要求我們承認伽利略的功勞，是他使我們認識到利用思想實驗，從而省去做實際實驗的麻煩。
基本特徵
思想實驗與物化實驗前對實驗過程的構想不同，物化實驗前的構想是立足於從實踐活動必要和可能出發，並不主要考慮邏輯推演的制約，重要的是立足於實踐環境和條件的可能，思想實驗需要運用理論、計算、邏輯證明、猜測，甚至有時是實驗者個人的偏見來完成，它遵從物化實驗的規則，但同物化實驗相比，有自身不同的特徵。
理想性
邏輯性
邏輯推演是思想實驗的基本方法，離開邏輯，思想實驗無法進行，也不能得出科學的結論。思想實驗與純粹邏輯不同，它與客體相聯繫，把邏輯放在具體的實踐活動中，語言、數學和思維，通過邏輯聯繫在一起，促進整個思想實驗的順利開展。盧克萊修這樣來證明空間是無限的：假若宇宙是有邊界的，我們可以向宇宙的邊界投擲一個長茅，如果這個長茅能夠飛過去，那么宇宙就沒有邊界。假如這個長茅彈回來了，則在假想的太空邊界上邊必定有一些類似於宇宙磚牆之類的東西，它阻止了長茅飛過去。但我們回過頭來想一想，這個牆本身自己也在太空中！所以說無論用何種方法，宇宙都沒有邊界，因此就可以得出結論：空間是無限的。
啟發性
思想實驗對新的理論的產生具有啟發作用。愛因斯坦在談到伽利略理想實驗時寫道：“這個慣性定律不能直接從實驗得出，它只能根據思索和觀察得出。理想實驗無論什麼時候都是不能實現的，但它使我們對實際的實驗有深刻的理解。”愛因斯坦通過“追光實驗”提出的“同時性的相對性”原理是狹義相對論的基礎假設之一，抽去這塊基石也就無所謂相對論了。經典力學的慣性原理也是在伽利略回答斜面實驗基礎上得出的。思想實驗是對科學家頭腦中靈感的深加工、精加工，它把靈感進一步引導到有待解決的問題上來，並且已經為問題的解決，認識的深化邁出了積極而富有創意的第一步。
經濟性
思想實驗符合高效率、低成本原則。擁有觀念比擁有經驗事實更容易些，做思想實驗不必承擔太大的代價，這對於一些大型實驗來說是一個顯著優勢。如果我們用思想實驗可以達到同樣的目的，無疑可以節約大筆經費，並節約由於建造和調試實驗設備所耗費的大量時間與人力物力。“思想實驗遠遠先於物質實驗，並且為物質實驗作了準備。”“每個實驗者，每個發明者，在實際行動中貫徹一種程式以前，必須在頭腦中先具有這種程式。斯特芬松如果從經驗中也知道機車、鋼軌、蒸氣機，那么在他能進行這種活動以前，他必須正是通過第一次把它們在思維上組合起來，他能夠接著進而在實踐中建造機車。伽利略在能夠實現研究自由落體的實驗安排之前，他必定在他的幻想中看見它被充分地描繪出來。”
革命性
思想實驗在科學革命的過程中起著推動作用。例如，19世紀末，以經典力學、電磁理論和經典統計物理學為代表的經典物理學經過300多年的發展，達到了完整、系統和成熟的階段。當時不少物理學家認為物理學的大廈已經基本建成，一些基本的、原則的問題都已經得到解決。英國物理學家開爾文曾說:“在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵小小的令人不安的烏雲。”這兩朵烏雲是指當時經典物理學無法解釋的黑體輻射實驗和麥可遜-莫雷實驗。正是這兩朵烏雲引發了20世紀物理學的革命。這場物理學變革的推動力量是愛因斯坦的思想實驗。愛因斯坦較早地看到了經典物理學的“危機”，他一直在思考兩個問題：一個是，如果有人跟著光跑而企圖抓住它，那么又會發生什麼呢？另一個是，如果有人湊巧在一部自由下落的升降機里，那么又會發生什麼呢？因這兩個問題，他建立了關於時間、空間與物質運動之間關係的全新理論——狹義相對論。相對論的誕生，將人類對客觀世界的認識向前推進了一大步，開拓了科學研究的新領域。
類型
思想實驗並非脫離實際的主觀臆想，它是人類在探索自然過程中，對大量的科學事實作深入的抽象分析和想像概括，從而使被研究對象和實驗過程理想化、抽象化、科學地推導出支配被研究對象的規律。思想實驗因其功能不一，其類型也各不相同，但根據其思維過程以及結論的作用，可以將思想實驗分為以下幾種類型。
批判型
批判型思想實驗又可稱為否定性思想實驗。這種實驗針對已有理論進行思維性論證，通過證明與反駁，揭露現行理論錯誤和問題，直至否定該理論。
在相當長的一段時間裡，人們對於力和運動物體等物理現象、物理規律的認識，一直受到亞里士多德學說的束縛。亞里士多德認為：物體運動速度的大小，是由它是否受力以及力的大小直接決定的；地面上輕重不同的物體下落速度不同：重物下落較快，輕物下落較慢。伽利略運用思想實驗否定了這一統治歐洲近兩千年的錯誤理論。他寫道：“如果把一件重的東西和一件輕的東西束在一起，從高處拋下來，那將會是什麼情形？按照亞里士多德的觀點，墜落的時間可以是一個具有兩個物體重量總和的物體從同一高度落下來的時間。這兩個結果的互不相容，證明亞里士多德錯了。”
變革型
變革型思想實驗又可以稱為建設性思想實驗。通過這種實驗，人們能在揚棄、變革舊理論基礎上，產生質的飛躍，創建新的理論。
早在古希臘，人們對力的作用與物體運動速度進行了觀察和初步的研究。日常的表象告訴人們：一輛四匹馬拉的車比兩匹馬拉的車運動得快。多次的經驗使人們深信，要使一個物體運動得愈快，必須用更大的力來推它。後來亞里士多德總結為他的力學理論：當作用於一個物體的力不再去作用它時，原來運動的物體便歸於靜止。對此，伽利略提出了質疑，他在斜面實驗的基礎上進行思想實驗。他認為一個運動的物體假如有了某種速度以後，只要沒有增加或減小速度的外部原因，便會始終保持這種速度，但這個條件只有在水平的平面上才有可能，因為假如在沿斜面運動的情況里，朝下運動是因為加速的原因，而朝上運動，則是因為已經減速，由此可知，只有水平的平面上的運動才是不變的，因為假如速度是不變的，運動既不會減小或減弱，更不會消滅。伽利略針對亞里士多德的缺陷，正確區分了速度和速度的變化兩個概念，提出了“慣性”的概念，得到了力與速度變化之間的聯繫這一嶄新的力學理論，從而否定了力與速度本身之間聯繫的舊理論，這些理論經牛頓的整理和發展，成為了經典力學定律。
綜合型
綜合型思想實驗又可以稱為完善性思想實驗。這種實驗來自橫向的多學科理論、原理、概念的綜合，通過選擇、提煉、重組等多種方法的運用與分析，運用邏輯法則從中探尋新的理論和科學解釋。思想實驗往往開始於簡單構想綜合，它所構想的目標和使用的知識都不是一般基礎和單一的知識，而是至少必須掌握一類和相近學科的基本經驗事實及系統的科學原理，方能具備思想實驗的基本要求。麥克斯韋在研究了法拉第理論後，通過其淵博的數學知識和豐富的想像力，經思想實驗建立起電磁場的基本方程（即麥克斯韋方程組），揭示出電磁現象的本質和規律，它是表示場的結構的定律，利用它可以算出電磁場的詳細結構及其隨時間的變化。我們可以從方程中得出，變化的電場產生變化的磁場，並表現出波動的特徵。麥克斯韋由此方程組推出了波動方程，求得了波的傳播速度值正好是光在真空中傳播的速度。這意味著，光波是一種電磁波，並由此確立了光的電磁理論。麥克斯韋的思想實驗成果，在15年以後，由赫茲通過共振器的實驗得到了證實，最終為科學界所接受。麥克斯韋對光的電磁理論的建立，不僅具備了電場和磁場的知識，還掌握了兩者相互聯繫和制約的規律，如果沒有這些多方位的知識，電磁波的發現要從思想實驗中獲取不可想像。
檢驗
概述
人們通過思想實驗所形成的認識是否正確？是否符合客觀事實？對這些問題的回答，就產生了對思想實驗進行檢驗與評價的必要。
思想實驗完成以後，並不等於認識過程的終結，思想實驗的結果或假設性結論有一定的似真性，必須經受住實踐的檢驗方能上升為理論。思想實驗的檢驗就是檢驗實驗結果的客觀實在性，而對客觀實在性的檢驗只能用科學實踐。思想實驗因其是在思維中進行的實驗，檢驗存在一定的特殊性。
特殊性
在同樣的條件下，對物化實驗進行檢驗，重複物化實驗，如果所得到的結果都相同，說明實驗是精確的、嚴格的、真實的。思想實驗在任何時候都具有重複性，這並不等於其結果就是正確的。
（1）檢驗條件的模擬仿真性。現代科學研究中，思想實驗是在理想狀態進行的實驗，往往無法在物化實驗中直接進行檢驗。對於這類實驗的檢驗，通過使用日益精確的實驗設備和越來越先進的技術手段,甚至可以人為地創造許多無限擬真的條件(如超高溫、超高壓、超高真空、強磁場等等)來進行,得到原來無法觀察到的自然現象及其變化發展規律,來進一步豐富和擴大人們的感性認識。對亞夸克結構的研究，由於“夸克幽閉”現象的存在，科學家只能藉助想像，在已有實驗和理論素材基礎上檢驗亞夸克世界的各種性質和狀態。再如天文學中關於宇宙起源的探索形成的各種假說，對人腦結構、機能的各種模型分析等，都只能在無法直接現實化的情況下進行檢驗。對這些預言和預見需要通過邏輯分析推演出若干結論，然後與實踐結果進行對照之後在一種無限擬真的條件下才能得到檢驗。
（2）檢驗方式的間接性。實踐檢驗的一個最根本特徵就是直接現實性，但隨著科學技術的發展，科學研究領域的拓寬和深化，在思想實驗中將主觀認識直接“變現”已越來越困難，甚至是不可能。即使是思想實驗中所包括的預言和預見，並不總是可以直接進行檢驗，需要運用間接的方式進行。如果電磁波與光波具有統一性，則電磁波的速度等於光的速度。這個猜測在1888年由物理學家赫茲通過實踐所證實。在任一有限空間里，難以測量電磁波的速度，赫茲用檢波器測量出電磁波兩個波節之間的長度，然後根據振盪器的頻率公式計算出電磁波的頻率，最後計算出電磁波的速度，從而肯定了電磁波速等於光速的結論。但這一檢驗的結果並不等於完成了電磁波與光波具有統一性的證明。因為二者具有同一性意味著電磁波應顯示光波的所有性質。赫茲接著通過其他實驗進行了關於電磁波的反射、聚焦、折射、偏振等的檢驗，終於證明了當時人們所認識的光的一切物理特性對電磁波來說都具有，這樣赫茲才算完成了電磁波和光波具有同一性的檢驗。
一般程式
思想實驗的檢驗就是為了檢驗思想實驗的過程是否符合邏輯，結論是否符合客觀規律，但因思想實驗自身的特殊性，檢驗方式與一般實驗有一定的區別。對於思想實驗的檢驗，不僅僅只是簡單的重複其過程，而且要接受邏輯分析和物化實驗的雙重檢驗。
通過邏輯推演可以確定一個思想實驗是否真，這是不容否認的客觀事實。例如，就一個公理體系來說，所有的定理都是直接、間接以該體系的公理論據通過證明被確定為真的。人們熟悉的歐幾里德幾何，其中所有定理都是直接或間接以幾個公理為論據通過證明被確定為定理的。如陳景潤所發現的“陳氏定理”，大偶數表示為一個素數及一個不超過兩個素數的乘積之和，也是經過陳景潤對它進行了系統的證明以後被確定為真的。可見，邏輯推理也可以檢驗一個思想實驗是否為真。如果否認邏輯分析可以檢驗思想實驗為真，幾千年來整個人類行之有效的思維形式，就要喪失其認識意義，自古至今建立起來的一切公理體系也將失去其科學價值。
單純的物化實驗只能說明假設與事實是否一致，通過邏輯分析可以檢驗思想實驗的邏輯結構。思想實驗經過邏輯分析得出可經檢驗的事實陳述，然後通過物化實驗的觀察和驗證，進而檢驗思想實驗是否符合客觀事實。人們有時也不滿足於實踐的確認，而力圖求得思想實驗的邏輯推演與分析。比如，“四色定理”早在地圖的繪製實踐中千百次地被使用過，但是直到1960年代用計算機邏輯分析證明之後，人們才感到滿意。所以，我們應該看到，實踐檢驗本身是相對的、歷史的，實踐檢驗的功能不應被絕對化。而且在現實世界中沒有純客觀的客體和活動，任何觀察和實驗都是受到了“理論污染”，在量子力學眼中，更是連物質、實體、客觀實在等等這些傳統唯物論的基本範疇都已無立足之地。這就使得用直接的物化實驗檢驗真理、啟迪新知識的功能大打折扣。因此，我們不應迷信，至少不應只把眼光聚焦在物化檢驗上，我們應該認識到體現邏輯分析也能成為檢驗思想實驗的標準。
（2）物化實驗檢驗。邏輯分析是一種輔助性的檢驗方法，它的結果要直接或間接地接受實踐的檢驗。邏輯推演只是從一個論證到另一個論證，不能把構想和客觀世界聯繫起來。物化實驗是一種科學的實驗活動,它運用社會實踐活動所提出的相關信息資料，通過觀察和實驗對思想實驗及其描述的客體進行的驗證，來檢驗思想實驗所導出的關於事實的陳述是否符合客觀事實，從而確認思想實驗的真實性。物化實驗儘可能地排除了外界的許多影響，突出了主要因素，並且能夠細膩地觀察到各種現象之間相互關係的條件下，使某一事物(或過程)發現或重演。正如馬赫所說：“思想實驗的結果是如此明白確定，以致於在進行思想實驗的那個人看來，似乎沒有必要藉助物理實驗做任何進一步的檢驗，無論這是正確還是錯誤。但是，其結果愈是不確定，則思想實驗愈是需要物理實驗作為其自然的繼續，由物理實驗判明和確定思想實驗。”這是因為思想實驗得來的結果仍然是思維的東西，還不是實在的經驗事實，只有經過實踐的觀測驗證才具有經驗事實的意義。
思想實驗的物化實驗檢驗因其思想實驗結論的不同而有差別。如果思想實驗的結論是單稱陳述，且實驗對象可以直接物化，這樣的思想實驗可以直接進行檢驗。但是在許多情況下，因為思想實驗中包含著對事物本質的猜測，這種猜測往往具有抽象性、普遍性和理想性，致使實驗的對象不能直接物化；或者實驗的結論是一個全稱陳述，這樣的思想實驗就無法直接進行檢驗。因此，普遍性的思想實驗的結論的物化實驗檢驗，就要藉助一定的輔助條件和通過演繹推理等方法進行檢驗，推出若干個可以檢驗的相似情況，對實驗結果進行比較、分析，以達到檢驗的目的。這樣的檢驗是通過間接的方式進行的。例如，由於引力波很弱，目前還沒有儀器能直接觀測，所以對與廣義相對論有關的引力波的檢驗，目前只能通過對引力波存在的某些特有效應來間接地進行。像引力輻射會引起雙星運行周期的變化等。1978年，美國天文學家約瑟夫·泰勒小組宣布他們通過對高速旋轉的緻密雙星的四年觀測，測到雙星轉動周期縮短了萬分之四秒，與廣義相對論的引力波理論計算結果一致，從而探測到了引力波的一個間接效應。
建構
思想實驗的建構是思想實驗整個過程中最為關鍵的環節。這個環節揭示了被研究事物的內部規律。建構一個思想實驗並不是任人天馬行空去建造空中樓閣，必須依靠人們所熟知的並被普遍接受的經驗數據，經過嚴密的邏輯分析來完成。思想實驗的建構也離不開聯想和形象思維,它使人們由感性認識通過選擇、提煉、重組等過程形象地聯想出新的想像。
當我們用歷史的眼光去考察那些在科學認識活動中起過重要作用的思想實驗時，就會發現，從提出問題到用思想實驗解決問題，大都經歷了一個較長的充滿曲折與反覆的歷史過程。思想實驗的這種思維活動，不同於幼兒和人類早期的形象思維，也不同於文學藝術中的形象思維。幼兒和人類早期的形象思維，尚未發展到邏輯思維的水平，不可能被邏輯思維引導和制約。文學藝術中的形象思維，雖然也接受邏輯思維的引導和制約，作家是用形象思維來塑造人物形象，通過人物形象來反映主題。在思想實驗中，實驗者建構一個思想實驗，使用的不是哪一個具體事物的經驗表象，而是該類事物的一般的共同的即抽象化了的表象。思想實驗的結果，直接得出了一些抽象的概念、理論和規律。
思想實驗同物化實驗一樣，也由實驗者（主體），被研究對象（客體）和作為終結的實驗儀器設備等三部分構成。如下圖。
實驗者（主體）實驗儀器設備（手段）被實驗對象（客體）
只不過，在思想實驗中被研究對象和作為“中介”的儀器設備等已經不是實在的物質客體，而是變成了“思維客體”，也就是思維中的抽象物。實驗過程是實驗主體的人藉助這些思維“中介”對“思維客體”進行“操作”和“觀察”，邏輯地導出結果。思想實驗的建構可以分為三個步驟進行。我們結合“薛丁格的貓”的實驗來考察。
問題分析與目標定位
思想實驗的問題分析與目標定位是指實驗者要確立建構一個什麼樣的思想實驗的問題，這個思想實驗要解決什麼問題，而且還要指分析思想實驗在邏輯上的合理性，以達到對思想實驗進行初步篩選的目的。思想實驗的客觀基礎是客觀世界和人類世界；對象是自然界及其規律；主觀條件就是豐富的科學知識和突出的想像能力。例如：薛丁格的思想實驗的問題分析與目標定位：微觀世界遵從量子疊加原理，如果自然界確實按照量子力學運行的話，是否巨觀世界也應遵從量子疊加原理？巨觀世界中是否存在有量子效應？
輪廓構思與細節設計
思想實驗的輪廓構思與細節設計是指對整個思想實驗的大致概貌有一個初步的理論構想，然後通過細節設計來逐步實施。可以這樣說，思想實驗的輪廓構思與細節是進行思想實驗建構的必經之路，這個過程是通過邏輯分析構成的。思想實驗與科學事實之間存在著一定的關係，通過邏輯分析，能使思想實驗和事實之間建立起聯繫，從而設計過程確證或反駁思想實驗。它包括實驗方案的設計，實驗過程的調控，實驗數據的收集與整理等等。輪廓構思與細節設計的方法是從一些已確認的理論出發，構思一定的虛擬實驗環節，通過規則的推理來論證另外一些理論的可靠性或實驗的可能性。例如，薛丁格構想在一個封閉盒子裡面有個放射源，它在每一秒時間內以1/2幾率放射出一個粒子。換句話說，按照量子力學的疊加性原理，一秒鐘後體系處於無粒子態和一個粒子態的等幾率幅疊加態。一旦粒子發射出來，它將通過一個巧妙的傳動機構將毒藥瓶打開，毒氣釋放後會導致盒子裡面的一隻貓立刻死亡。當然，如果無粒子的發射，這一切均不會發生，貓仍然活著。現在要問：一秒鐘後盒子裡的貓是死還是活？既然放射性粒子是處於0和1的疊加態，那么這隻貓理應處於死貓和活貓的疊加態。
在思想實驗輪廓構思與細節設計階段，邏輯推理是它的基本指向，實驗者在建構思想實驗時,想像是充分自由的，他可以根據自己掌握的經驗和知識、以及當時的科學水平，就可以對研究的客體進行充分的聯想，而且聯想從何而發、向何方延伸也是隨機的。當眾多材料、經驗表象等在實驗者腦海中湧現時，其展開和聯繫則常常求助於與此有關的概念和關係。這些概念與關係既同下一步的邏輯思維聯繫著，又同建構前預定的目的聯繫著。只要邏輯推理允許，它甚至也接納那些違背“經驗事實”的，或同已確定的“物理規律”相對立的表象進入思想實驗中。比如，愛因斯坦在創立相對論的過程中，他為了闡明同時性的相對性，突破了牛頓力學的絕對時空觀，建立“愛因斯坦列車”等思想實驗，邏輯思維把高速運動的列車、觀察者、閃光、時鐘等形象以及它們在空間中的位置進行聯繫和展開，使之成為有理有據、條理清晰的思維過程。
思維運算與結論分析概括
思維運算與結論分析概括是指實驗者經過對實驗過程的構思與設計，經過邏輯推演，對結論進行分析概括的過程。其中包括分析思想實驗中的所使用的概念是否具有精確性、明晰性與簡單性；分析思想實驗在邏輯結構上是否具有一致性；分析過程是否嚴密；分析思想實驗是否得到已有的科學理論和科學事實的支持等。在薛丁格設計的這個“貓”的思想實驗中，實驗裝置巧妙地把微觀放射源與巨觀的貓聯接起來，最終誕生出這只可笑的薛丁格貓，結論似乎否定了巨觀世界存在有可以區分的量子態的疊加態。事實上，大量實驗事實都肯定了巨觀世界中存在有量子效應。
經過以上三個步驟可以建構一個思想實驗，也符合思想實驗建構的一般規律。就一個公理體系來說，所有的定理都是直接或間接以該體系的公理論據通過這三個步驟後被確立的。可以說：思想實驗是科學與理性思維相結合的結果。思想實驗的建構，既是想像自由展開的過程，又是邏輯推演的過程。在這中間，邏輯起著主導作用，它引導、控制著想像，保證想像既是豐富的，但又不是胡思亂想。想像活動為邏輯推演提供了可靠的素材基礎，邏輯推演在想像提供的形象運動中操作展開。兩者相輔相成，渾為一體。
原則
思想實驗檢驗與評價的合理性原則
思想實驗檢驗與評價的合理性是指思想實驗的過程與結論是否符合客觀事實。在科學研究中，思想實驗已經成為不可或缺的研究方法。所以，對思想實驗檢驗與評價的合理性把握，尤顯重要。
借鑑性與創新性相統一
借鑑性是指思想實驗的構建是在借鑑前人的理論和見解的基礎上進行的。思想實驗並不與科學實踐中的物質活動相背離，也不會與經驗事實相牴觸。人們在建構一個思想實驗之前，總有其直接或間接的經驗事實作為依託和基礎，儘管思想實驗超越了實踐的物化實驗領域，但它仍與經驗事實有著一定的借鑑。卡諾在建構卡諾定理之前，是瀑布落差啟發了他，引導他把熱機鍋爐與冷凝器之間的溫差突顯出來，用思想實驗來分析熱機的工作原理。海森伯也曾借用“理想顯微鏡”實驗，形象地論證“測不準關係”。
思想實驗優於物化實驗之處還在於其創新性。創新性是指所選的思想實驗應是前人從未曾提出過的或沒有完全解決的問題，預期能夠產生新的發現和新的發明，或者至少能對前人的研究成果有新的補充、擴展和深化。思想實驗是探索性的，它的本質在於創新，創造性是科學研究的靈魂和生命。思想實驗能擺脫客觀局限性的干擾，在尋求建立新觀念、新認識、新理論、新規律的突破口上有事半功倍的成效。物化實驗一般來說都是在已有理論、經驗指導下進行的，由於舊有理論框架的束縛，它最多能做到溫故而知新，除非遇到一些特殊的機遇。特別是在一些具有劃時代意義的重大理論突破事件上，物化實驗本身就創新功能而言，其作用的局限性是明顯的，它主要運用於對新理論的證實或證偽，起檢驗的作用。
創新性原則與借鑑性原則容易產生矛盾與衝突。創新性原則要求科研人員對已有科學知識要敢於懷疑，敢於突破，敢於創新，敢於修正。如若不是有哥白尼、布魯諾大膽推翻了統治歐洲達一千多年的並被神聖化的亞里士多德-托勒密的地心說，就不會有日心說的出現，就不會有近代自然科學的誕生。若不是有愛因斯坦和普朗克對牛頓經典物理學的大膽質疑和超越，就不會有相對論和量子論的產生。可見，沒有大膽的懷疑精神，沒有勇於創新、敢於超越前人的氣魄，科學就無法產生、發展，社會就不能進步。而借鑑性原則又要求人們進行思想實驗時，不要違反公認的科學原理和常識，要在已有的科學理論指導下進行。
科學性與寬容性相統一
思想實驗的科學性原則是指思想實驗要以一定的科學理論或科學事實為依據，要在當時的科學技術背景下選擇。不能異想天開地盲目做思想實驗，那些與已經確證的科學理論相矛盾的思想實驗不應該作為選擇對象，而且所做的實驗在一定程度上能夠如實地反映了客觀事物及其發展的內在規律，達到主觀與客觀的統一，使主體觀念符合客觀，思維與存在具有同一性。例如，愛因斯坦從思想實驗中得到光線通過引力場彎曲的結論，通過實際的觀測檢驗之後，成為了經驗事實。
思想實驗的寬容性是指，思想實驗必須正確反映事物本質或規律性的同時，允許試錯、也允許長時間記憶體在無法檢驗。也就是說，寬容性意味著對價值多元化現實主體的承認、尊重和平等看待；意味著對不同價值標準的客觀理解；意味著對自己價值觀念的執著和恪守。具體地講，寬容性體現的是一種歡迎不同觀點而有是非、立場明確而不偏執的精神。
牛頓設計的旋轉水桶實驗，試圖證明存在絕對空間和絕對運動。用長繩吊一水桶，讓它旋轉至繩扭緊，然後將水注入，水與桶暫時都處於靜止中。再突然使桶反方向旋轉，當繩子完全放鬆時，桶的運動還會持續一段時間。水的表面在桶開始旋轉時是平的，但是後來，桶逐漸把運動傳遞給水，使水也開始旋轉，就可以看到水漸漸離開其中心而沿桶壁上升形成凹面。運動越快，水升的越高。最後水與桶的轉速一致，水面相對於桶就靜止不動。
牛頓認為，水面的下凹，不是由水對周圍的相對運動造成的，而是由水的絕對的、真正的圓周運動造成的，因此由水面的下凹就可以判斷絕對運動的存在。馬赫對牛頓旋轉的水桶實驗提出了批評。他認為，旋轉水桶實驗並沒有證實絕對空間和絕對運動的存在，因為這個實驗完全談不上是相對於絕對時空來做的。
馬赫認為，這一水桶相對於水的旋轉將對桶內的水產生一個等效的慣性離心力作用。馬赫認為，沒有什麼絕對空間，一切運動都是相對於某種物體而言的，慣性離心力是由相對於遠處恆星（或宇宙中全部物質的分布）的加速度引起的。
邏輯可行性與經驗可能性相統一
思想實驗的邏輯可行性就是要審視思想實驗內部結構各個過程的邏輯關係。它首先在內部結構及各個過程上是邏輯一致的，自相矛盾或缺乏內在聯繫的結構過程都不是真正的思想實驗。
思想實驗包含著若干個步驟，思想實驗是科學理論前提下進行的思考，所以，它的每一步都應有其邏輯性，而且每一個理論也存在自身的邏輯關係；一個邏輯可行性的思想實驗，在理論上應是具有邏輯一致性的實驗，否則，理論自相矛盾的實驗不是真正的實驗，更不可能具有可行性；同時，步驟上缺乏內在聯繫的實驗也不是真正的實驗，充其量也就是一堆假想的堆砌。
麥克斯韋構想一個充滿處於熱平衡狀態的氣分子箱，箱子的中部嵌著一面夾壁，將箱子一分為二，夾壁上有一個門，該門最初開著，以使容器兩邊的分子可以互相來往，然後麥克斯韋提出或許能讓一個極小的“精靈”坐守於門邊，以便能夠極為迅速地將門打開或關上，精靈允許靠近門由左向右的快分子或由右向左的慢分子通過，對其它分子則不打開，精靈會將分子分為兩個群組，右邊一組分子有較高的平均平移動能，因此溫度較高，左邊是具有較低溫度的另一組分子。
麥克斯韋構想這個思想實驗的本意並不在推翻熱力學第二定律，而在於指出它的局限性，並用這個實驗來闡明，它只具有統計上的可靠性，使人們放棄了絕對化的論述。從麥克斯韋提出這個實驗一百多年來，人們對這個思想實驗的可能性進行了廣泛的探索，從而加深了對經典熱力學的理解，促成了統計力學和開放系統遠離平衡熱力學的建立。
思想實驗是邏輯範圍內的活動，但又超越邏輯的過程。這是由於思想實驗本身要求考慮客觀經驗的可能性。所選的思想實驗應充分考慮到研究人員的主、客觀條件，即應根據已經具備的或經過努力可以具備的條件進行選擇。一個思想實驗，無論具有多么誘人的魅力，也符合邏輯性、科學性、寬容性和創新性等原則，但若毫無經驗的可能性，那么就不可能有多少科學價值。
思想實驗所提供的理論或信息應符合自然的本來面目（儘管當時不可經驗檢驗），當其客觀條件成熟，有的思想實驗可轉化成物化實驗。但科學史告訴我們，隨意指望思想實驗一出現就必有物化實驗與之結伴或相隨，也是不現實的。
價值
價值是主體對客體滿足自身需求水平的評價。作為一個哲學範疇，價值表示主體與客體之間的關係。簡單的說，思想實驗的價值就是思想實驗對評價主體（個人和社會）的作用和意義。當思想實驗對主體的需要和發展起肯定和促進作用時，它就具有正面價值；否則，當思想實驗對人和社會的需要和發展起否定和破壞作用時，它就具有負面價值。例如，在討論自由落體時，經常聽到這樣的話：“只有在真空中……”。
據考證，伽利略並沒有在真空中做這個實驗，可能所有的物體在真空中以相同的速度下落，但這並不是伽利略做實驗觀察到的，他用思想實驗建立了他的理論，滿足了主體的需要，促進了理論的發展，該思想實驗就具有正面價值。否則，它就具有負面價值。思想實驗的價值表現在內在價值和外在價值兩個方面。
內在
思想實驗的內在價值包括認知價值，科學家的個體價值兩個方面。
（1）認知價值。思想實驗既是一種研究方法，同時也是一種表述方法。在思想實驗中，人們對經驗材料進行抽象、對抽象活動獲得的結果進行表述的方法別具一格。科學史研究表明：科學史上許多重大的科學理論的發現並非都是物化實驗得到的，往往都是通過思想實驗得到。從這個意義上，思想實驗是絕大多數人進行科學實驗的一種基本方法和精神需求，通過思想實驗能夠滿足認識真理的需求。
（2）科學家的個體價值。思想實驗作為一種科學研究的方法和手段，除了有認知價值以外，還含括了科學家的信念價值、解釋價值、預見價值和審美價值以及研究目的。這不僅保證了思想實驗的客觀性、合理性和完美性，而且體現了人類自身的完善和求是、尚理品格。思想實驗是人類自覺、主動改變客觀世界滿足主體的活動，是科學認識主體自覺能動性的表現。
恩格斯在分析勞動時指出了人類勞動的這一特點。“我們要考察的是專屬於人的勞動。蜘蛛的活動與織工的活動相似，蜜蜂建築蜂房的本領使人間的許多建築師感到慚愧。但是，最蹩腳的建築師從一開始就比最靈巧的蜜蜂高明的地方，是他在用蜂蠟建築蜂房以前，已經在自己的頭腦中把它建成了。勞動過程結束時得到的結果，在這個過程開始時就已經在勞動者的表象中存在著，即已經觀念地存在著。”
貝爾納所指出:“我們所知道的科學所以恰恰是按這種方法而不是按另一種方法發展，絕對不是意味著這方面是唯一科學發展方法，或者甚至說是科學發展的最好最快的方法。大自然的規律雖然不取決於人的意志，但揭示和研究這種規律的程式卻決定於人。”
外在
思想實驗的外在價值從某種意義上說，是指思想實驗對社會的發展產生了如何的影響。科學家進行思想實驗的目的，是為了揭示事物內部的規律性。思想實驗由於自身特有的優勢，對探索自然的力量不可估量；再由於其思維、實驗的雙重特徵，成為科學認識發生、形成和深化的一條便捷有效的路徑，從而推動了科學的發展。
庫恩認為：思想實驗是增進人類對自然的理解偶爾有效的工具。愛因斯坦說：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決一個問題也許僅是一個數學上的或實驗上的技能而已，而提出新的問題，新的可能性，從新的角度去看舊問題，卻需要有創造性想像力，而且標誌著科學的真正進步”。
評價
思想實驗的評價是考察思想實驗與客觀事實、客觀過程及其規律之間的一致性。思想實驗的評價是一個複雜的過程，它不僅要通過實踐對實驗客體的屬性、功能作出判斷，也要通過實踐來確認真實的、客觀的需要，才能把客體性能與主體需要相比較，最終作出合理的評價。在這一過程中，會更多地滲透著主體性因素的影響，如人的個體差別，所處的時代背景和文化、人的情緒、情感等都會在不同程度上影響到評價結果。思想實驗的評價包括價值評價和科學性評價。
思想實驗的價值評價要考察思想實驗所傾向的價值目標是否符合實際的科學需要，是否符合人類發展的客觀要求，對社會的發展產生了何種影響。它是人們在觀念中把握思想實驗的價值有無，且價值大小的過程及結果。思想實驗的價值評價要運用一定的價值尺度去衡量。不同的歷史時期，價值尺度不同。思想實驗的價值標準必須是客觀的，一切主觀的東西，如興趣、愛好等，都不是思想實驗的價值標準。
思想實驗的科學性評價是通過比較實驗主體的主觀認識與客觀事實來作出的判斷。只有如實反映了客體內部發生的客觀變化、客觀聯繫的理論，才能獲得科學性評價。反之，不能與客觀事實相吻合的理論，無論其實驗內部如何地自洽、完備、其敘事又如何地與生活經驗相一致，嚴格地說都不能確立其科學性。而那些故意使用虛假概念，使用一些含混不清、模稜兩可的判斷，以圖逃避檢驗，化解反例的“思想實驗”，那就連起碼的可檢驗性都不具備，就不能標榜為科學。從某種意義上說，通過思想實驗可以導出一系列可以被最終觀察到的結論。
思想實驗的經驗上的科學性評價，儘管因思想實驗自身的特殊性而很複雜，例如當客觀條件不具備直接檢驗時只能藉助間接檢驗作出評價，但是，當具備了可直接檢驗的條件時，人們通過觀察或實驗證明事實結論，從而對思想實驗作出證明。如以“T”表示思想實驗，以“e”表示T所蘊藏的可觀察到的經驗陳述，那么對思想實驗的科學性評價模式可以表述為：
T可能真
T→e1，e2，……en 已觀察到e1，e2，……en ∴T更可能真
評價思想實驗價值和科學性涉及許多方面，但最重要的評價是思想實驗的科學性評價。通過對思想實驗的評價，賦予思想實驗認識、實踐以意義，引導和規範人的活動向有利於人類自身的方向發展。
十大概念
電車難題
（The Trolley Problem）
“電車難題”是倫理學領域最為知名的思想實驗之一，其內容大致是：一個瘋子把五個無辜的人綁在電車軌道上。一輛失控的電車朝他們駛來，並且片刻後就要碾壓到他們。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？ （這個問題在“公平：怎么做才正確？”中也有涉及。）
空地上的奶牛
（The Cow in the field）
認知論領域的一個最重要的思想實驗就是“空地上的奶牛”。它描述的是，一個農民擔心自己的獲獎的奶牛走丟了。這時送奶工到了農場，他告訴農民不要擔心，因為他看到那頭奶牛在附近的一塊空地上。雖然農民很相信送奶工，但他還是親自看了看，他看到了熟悉的黑白相間的形狀並感到很滿意。
過了一會，送奶工到那塊空地上再次確認。那頭奶牛確實在那，但它躲在樹林裡，而且空地上還有一大張黑白相間的紙纏在樹上，很明顯，農民把這張紙錯當成自己的奶牛了。
問題是出現了，雖然奶牛一直都在空地上，但農民說自己知道奶牛在空地上時是否正確？
定時炸彈
（The Ticking Time Bomb）
如果你關注近幾年的政治時事，或者看過動作電影，那么你對於“定時炸彈”思想實驗肯定很熟悉。它要求你想像一個炸彈或其他大規模殺傷性武器藏在你的城市中，並且爆炸的倒計時馬上就到零了。在羈押中有一個知情者，他知道炸彈的埋藏點。你是否會使用酷刑來獲取情報？
愛因斯坦的光線
（Einstein’s Light Beam）
愛因斯坦著名的狹義相對論是受啟於他16歲做的思想實驗。在他的自傳中，愛因斯坦回憶道他當時幻想在宇宙中追尋一道光線。他推理說，如果他能夠以光速在光線旁邊運動，那么他應該能夠看到光線成為“在空間上不斷振盪但停滯不前的電磁場”。對於愛因斯坦，這個思想實驗證明了對於這個虛擬的觀察者，所有的物理定律應該和一個相對於地球靜止的觀察者觀察到的一樣。
特修斯之船
（The Ship of Theseus）
最為古老的思想實驗之一。最早出自普魯塔克的記載。它描述的是一艘可以在海上航行幾百年的船，歸功於不間斷的維修和替換部件。只要一塊木板腐爛了，它就會被替換掉，以此類推，直到所有的功能部件都不是最開始的那些了。
問題是，最終產生的這艘船是否還是原來的那艘特修斯之船，還是一艘完全不同的船？如果不是原來的船，那么在什麼時候它不再是原來的船了？
哲學家Thomas Hobbes後來對此進來了延伸，如果用特修斯之船上取下來的老部件來重新建造一艘新的船，那么兩艘船中哪艘才是真正的特修斯之船？
伽利略的重力實驗
（Galileo’s Gravity Experiment）
為了反駁亞里士多德的自由落體速度取決於物體的質量的理論，伽利略構造了一個簡單的思想實驗。根據亞里士多德的說法，如果一個輕的物體和一個重的物體綁在一起然後從塔上丟下來，那么重的物體下落的速度快，兩個物體之間的繩子會被拉直。這時輕的物體對重物會產生一個阻力，使得下落速度變慢。但是，從另一方面來看，兩個物體綁在一起以後的質量應該比任意一個單獨的物體都大，那么整個系統下落的速度應該最快。這個矛盾證明了亞里士多德的理論是錯誤的。
猴子和打字機
（Monkeys and Typewriters）
另一個在流行文化中占了很大分量的思想實驗是“無限猴子定理”，也叫做“猴子和打字機”實驗。定理的內容是，如果無數多的猴子在無數多的打字機上隨機打字，並持續無限久的時間，那么在某個時候，它們必然會打出莎士比亞的全部著作。
猴子和打字機的構想在20世紀初被法國數學家Emile Borel推廣，但其基本思想（無數多的人員和無數多的時間能產生任何/所有東西）可以追溯至亞里士多德。
中文房間
（The Chinese Room）
“中文房間”最早由美國哲學家John Searle於20世紀80年代初提出。這個實驗要求你想像一位只說英語的人身處一個房間之中，這間房間除了門上有一個小視窗以外，全部都是封閉的。他隨身帶著一本寫有中文翻譯程式的書。房間裡還有足夠的稿紙、鉛筆和櫥櫃。寫著中文的紙片通過小視窗被送入房間中。
根據Searle的理論，房間中的人可以使用他的書來翻譯這些文字並用中文回復。雖然他完全不會中文，Searle認為通過這個過程，房間裡的人可以讓任何房間外的人以為他會說流利的中文。
薛定鍔的貓
（Schrodinger’s Cat）
薛定鍔的貓最早由物理學家薛定鍔提出，是量子力學領域中的一個悖論。其內容是：一隻貓、一些放射性元素和一瓶毒氣一起被封閉在一個盒子裡一個小時。在一個小時內，放射性元素衰變的幾率為50%。如果衰變，那么一個連線在蓋革計數器上的錘子就會被觸發，並打碎瓶子，釋放毒氣，殺死貓。因為這件事會否發生的機率相等，薛定鍔認為在盒子被打開前，盒子中的貓被認為是既死又活的。
缸中的大腦
（Brain in a Vat）
沒有比所謂的“缸中的大腦”假說更有影響力的思想實驗了。這個思想實驗涵蓋了從認知學到哲學到流行文化等各個領域。
這個實驗的內容是：想像有一個瘋狂科學家把你的大腦從你的體內取出，放在某種生命維持液體中。大腦上插著電極，電極連到一台能產生圖像和感官信號的電腦上。
因為你獲取的所有關於這個世界的信息都是通過你的大腦來處理的，這台電腦就有能力模擬你的日常體驗。
如果這確實可能的話，你要如何來證明你周圍的世界是真實的，而不是由一台電腦產生的某種模擬環境？
