Termin “eksperyment myślowy” został po raz pierwszy użyty przez Ernsta Macha w 1883 roku jako określenie wyimaginowanego przeprowadzenia prawdziwego eksperymentu. Oczywiście, stawianie hipotez i czysto rozumowe przeprowadzanie dowodu potwierdzającego lub obalającego tezę wyjściową było praktykowane już od czasów starożytnych, ale dopiero Mach nadał mu nazwę, a jak wiadomo, dopiero nazwanie rzeczy czyni ją materialną i określoną.

Okazało się z czasem, że nowo powstały termin jest bardzo pojemny i zachłanny: obejmuje swoim zakresem coraz więcej dotychczas nienazwanych procesów w takich dziedzinach jak: rozrywka, edukacja, religia, kosmologia, fizyka teoretyczna, psychologia, socjologia i wiele innych. Eksperymentami myślowymi są też wszystkim nam znane paradoksy. Paradoks bliźniąt czy paradoks kota Schrödingera nie są możliwe do udowodnienia drogą klasycznego eksperymentu naukowego, natomiast drogą czystego rozumowania w oparciu o aparat matematyczno-fizyczny – tak. Oczywiście mowa o  prawdziwym kocie i żywych bliźniętach, bo dowody fizyczne dotyczące mechaniki kwantowej i szczególnej teorii względności istnieją od dawna.

Albert Einstein “wymyślił” szczególną teorię względności, traktującą o stałości prędkości światła i uniwersalności praw fizycznych dla wszystkich obserwatorów, posiłkując się swoją wyobraźnią. Przeprowadził eksperyment myślowy, w którym wyobraził siebie jadącego pociągiem poruszającym się z prędkością światła i obserwującego falę świetlną jadącą obok.

Wyobraźnia Einsteina zainspirowała go także do pracy nad ogólną teorią względności. Oto jak opisuje swoje olśnienie (wykład z 1922 roku, olśnienie z 1907):

Siedziałem na krześle w moim biurze patentowym w Bernie. Nagle przyszła mi do głowy myśl: gdyby człowiek spadał swobodnie, nie czułby swojego ciężaru. Byłem zaskoczony. Ten prosty eksperyment myślowy wywarł na mnie głębokie wrażenie. To doprowadziło mnie do teorii grawitacji.

Coś jak spadające jabłko Newtona, prawda?

Ta pierwsza myśl pociągnęła za sobą cały łańcuch wnioskowania, doprowadzając do sformułowania zasady równoważności, która jest podstawą ogólnej teorii względności – niemożliwe jest odróżnienie efektów fizycznych spowodowanych grawitacją od efektów z powodu przyspieszenia. Einstein kontynuował rozumowanie: grawitacja powinna także oddziaływać na światło, a “linia prosta” ma inne znaczenie w pobliżu ciała o dużej masie. Ergo grawitację można traktować jako zjawisko geometryczne. Ergo masa powoduje zakrzywienie przestrzeni. Zadziwiające, od pierwszej (zacytowanej wyżej) myśli umysł Einsteina doprowadził do jednej z najbardziej przełomowych teorii w dziejach. Taka jest potęga i moc eksperymentu myślowego. W głowie każdego z nas znajduje się potężne laboratorium badawcze zdolne do dokonania odkryć na miarę Einsteina. Należy je tylko zasilić niezbędną wiedzą.

Eksperymenty myślowe to narzędzia wyobraźni. Dlatego bardzo chętnie są wykorzystywane przez filozofów. Ciekawym przykładem, jednym z pierwszych udokumentowanych, jest filozoficzny dowód na to, że przestrzeń jest nieskończona. Dowód pochodzi od Lukrecjusza, “De Rerum Natura”.

“jeśli istnieje rzekoma granica wszechświata, możemy rzucić w nią włócznią. Jeśli włócznia przeleci przez nią, to nie jest to granica; jeśli włócznia odbije się z powrotem, to musi być coś poza rzekomą krawędzią przestrzeni, kosmiczna ściana, która zatrzymała włócznię, ściana, która sama jest w przestrzeni. Tak czy inaczej, nie ma krawędzi wszechświata; zatem przestrzeń musi być nieskończona.”

To dobra ilustracja właściwości eksperymentu myślowego: wizualizujemy pewną sytuację, którą stworzyliśmy w wyobraźni, pozwalamy jej działać, widzimy, co się dzieje; na koniec wyciągamy wnioski.

Powyższe wnioskowanie nie musi być absolutnie słuszne, pokazuje jedynie ścieżkę rozumowania, modus operandi tej metody. Odkryliśmy, że przestrzeń może być skończona i nieograniczona. Wyobraźmy sobie okrąg, który jest jednowymiarową przestrzenią. Kiedy się poruszamy, nie ma krawędzi, ale mimo to jest skończona. Wszechświat może być trójwymiarową wersją tej topologii a my możemy być “płaszczakami”, posługując się terminem wymyślonym przez Edwina Abbotta Abbotta w 1884 roku w książce “Flatlandia”. Rozumowanie w kategoriach “płaszczaków” pomaga wyobraźni w zrozumieniu geometrii wielowymiarowych, nieuklidesowych. Pomaga wyobrazić światy w przestrzeniach powyginanych przez grawitację, transfery czasoprzestrzenne, czarne dziury i inne, czysto teoretyczne zawijasy współczesnej fizyki i kosmologii.

Przed chwilą został poruszony bardzo ważny aspekt eksperymentu myślowego jako narzędzia badawczego. Chodzi o obszary niemożliwe do zbadania, z uwagi na ułomności i ograniczenia ludzkiego umysłu. Wszechświat w momencie Wielkiego Wybuchu był dziesięciowymiarowy, zgodnie z teorią inflacyjną. Dopiero po jakimś czasie rozpadł się na dwa wszechświaty: sześcio- i czterowymiarowy (nasz). Tylko uproszczenia myślowe i analogie w rodzaju “płaszczaki” plus zaufanie do matematyki pozwalają na formułowanie i rozwój tej teorii. O eksperymentalnym potwierdzeniu w zasadzie nie ma mowy, energia potrzebna do wywołania zjawisk wtedy zachodzących przekracza nasze możliwości trylionkrotnie i wymagałaby zbudowania akceleratora wielkości galaktyki. Pozostaje wyobraźnia i … no właśnie, EKSPERYMENT MYŚLOWY.

Na koniec przykład użycia eksperymentu myślowego do próby rozprawienia się z koniunkcją dwóch głęboko zakorzenionych przekonań. Wszyscy wiemy, że:

• kot zawsze spada na cztery łapy,
• kromka z masłem zawsze spada stroną posmarowaną na dół.

Co w takim razie stanie się, gdy zamocujemy kotu do grzbietu kromkę chleba posmarowaną masłem i spuścimy go z pewnej wysokości?

Jednym z rozwiązań jest dopuszczenie istnienia antygrawitacji. Kot zawiśnie w powietrzu wirując wokół własnej osi. Inne, genialne w swej prostocie, rozwiązanie tego problemu mówi, że kot po prostu upadnie na bok.

A więc eksperymentujmy myślowo, to nic nie kosztuje.