在科学的发展史上，尤其是物理学的发展史上，思想实验作为一种有效的方法曾经起到非常重要的作用。所谓思想实验就是在头脑中想象或构造出来的一套实验装置，实验按照一定的逻辑过程进行演化，并猜测可能获得的结果。思想实验往往在刚刚提出时，并没有在实验室内进行检验，但是思想实验以其方便灵活，不需要大量投资与漫长的基础设施建设而受到物理学家们的欢迎。
比萨斜塔实验和后来人们津津乐道的伽利略大船，是伽利略最著名的两个思想实验。伽利略从来没有做过真正的比萨斜塔实验，而只是在头脑中构想了这一过程。当人们普遍相信重的物体下落速度比轻的物体快时，伽利略却从中看出了问题所在。如果将一块重物和一块轻物连在一起下落会怎样呢？一种推理方式是重物与轻物相互拖拽，最终这两块物体速度在重物与轻物之间，而按照另一种思路，两块物体总重量比重物还重，应该下落的比重物还快才是，因此唯一的可能就是物体下落速度与重量无关。从纯粹的逻辑得到了在当时违反直觉的结论，伽利略选择相信逻辑。同样，在伽利略大船的思想实验中，伽利略同样选择相信逻辑而放弃直觉。当时人们想当然的直觉是，如果地球真的是高速旋转的，当人们跳起来的时候，一定不会落到原地。而伽利略则通过逻辑表明，这种直觉是不可靠的，任意的惯性参考系都是平等的。伽利略的发现，为牛顿理论和相对论奠定了基础。
由此我们可以得到一个深刻的结论：直觉往往是发现真理的最大障碍。从古希腊流传下来的柏拉图学园被关闭，到文艺复兴的一千年中世纪时期，人们从来没有认真思考过那些司空见惯的现象和直觉可能会出错。伽利略的这两个思想实验如同无理数的发现一样，无论如何也无法融入传统的逻辑体系。然而，近代科学的大门终究被伽利略打开了，科学从此一发不可收拾。爱因斯坦继承了伽利略喜欢做思想实验的优良传统，翻开了物理学中属于他的一页。16岁的爱因斯坦就在头脑中构造出了一个反直觉的思想实验，如果以光速追着一束光跑，看到的似乎是在空间中静止的振荡电磁场，然而按照麦克斯韦理论，这是不可能的，理性与直觉产生了冲突，同时也埋下了相对论的种子。爱因斯坦自称的一生之中最快乐的想法是突然想到，如果一个人在封闭的电梯里，是无法区分感受到的向下的力是引力还是惯性力的。一种在人们印象和直觉中的两个概念忽然间发现它们并没有区别，而是同一个概念，的确会让人震惊和快乐，广义相对论也因这个思想实验而催生出来。爱因斯坦的光子箱实验让玻尔想了一夜甚至更久，这个简单清晰的思想实验直接将广义相对论和量子论的核心观念联系起来，尽管玻尔很快证明，广义相对论与量子论的基本逻辑在光子箱实验上是相容的，但是它们之间更深刻的联系却并不像表面看上去那么简单。光量子没有静止质量和始终以光速运动的极端相对论运动状态，很可能决定它是打开量子引力之门的钥匙，难怪玻尔临终前的一天，办公室里仍然挂着爱因斯坦光子箱的草图。爱因斯坦总是通过无穷的想象力构造着一个又一个反直觉的思想实验，将我们沿着理性逻辑的道路引向未知。很快，他又构造出了一个可能影响更加深远的思想实验：EPR佯谬。这次爱因斯坦没有相信理性的逻辑，而是相信了自己的直觉，因此断言，像EPR实验中表现出来的这种量子纠缠现象，在现实中是不可能出现的。可是阿斯派克特精密的实验表明，现实就是这么反直觉，量子纠缠的确是存在的。
在思想实验的构造过程中，我们的大脑就像一个模拟仿真系统，通过对世界理解程度的不断深入，我们总结出了一系列的逻辑。然后我们在这套逻辑的指引下模拟某些条件下事物应该是怎样演化的。当我们的思维结果和传统的认知出现矛盾的时候，我们就需要谨慎的对待这个思想实验。逻辑与直觉都可能犯错，但是直觉导致的错误往往是严重的，直觉建立起来的世界与世界观很可能是伪装成真理的谬误，这时我们就需要认真检验并去伪存真。逻辑有时候会引导人误入歧途，有时候从同一个出发点会沿着不同的逻辑思路产生不同的结果，但是逻辑往往又是发现真理的一枚钥匙。当我们被司空见惯的经验所包围，被显而易见的直觉蒙蔽了眼睛，逻辑就显得尤为重要。有些逻辑只有很窄的适用范围，有些逻辑适用的领域则超出我们的想象，在自然科学的探索过程中，我们有这样的经验：越是简洁完美的东西，它在自然科学中的地位就越基础，越重要，适用范围越广，它的内涵也越深刻，而那些冗长复杂的东西则往往只是一些适用范围很窄的推论。大自然喜欢简洁，它所蕴含的真理就在那里，并没有刻意向我们隐瞒，只是我们的直觉往往只能让我们看到很小的一部分。好在我们有思想实验，我们可以在头脑中构造出那些精彩的实验过程，检验我们的直觉与逻辑，从而发现不寻常的东西，发现更多的真理。
思想实验不需要实验设施，不需要经费，只需要一个人人都有的大脑，因此人人都可以参与。爱因斯坦说，想象力比知识更重要。这或许是他的经验之谈，想象力可以突破固有思维的框架，闯入新的未知领域，只有真正到达了新的领域，我们才能发现那些反直觉的现象，从而扩大我们的认知领域，获取新的知识。