揭示事物的物理学本质时，既要把握能被直接感知的经验材料，更要透过经验材料去把握那些难以直接感知的隐蔽基础和实质性内核，去没想和构崽其内部过程、内部联系的图景。为此，就要通过科学想像。所以，科学想像是一种创造性的思维形式和研究方法，正像廷德尔所说：“有了精确的实验和观测作为研究的依据，想像力便成为自然科学理论的设计师。”
（一）科学想象
想像的概念和意义
关于“想像”的科学定义，在不同的著作中，有各种不同的解释。《辞海》中定义：“在原有感性形象的基础上创造出新形象的心理过程。如作家写作时须构成人物的形象，工人看了技术图纸须想像机器部件的形象。这些新形象足已积累的知觉材料经过加工、改造所形成的。”也就是说，想像是人们改造头脑中记忆的表象而创造新形象的过程，也是对过去经验中已经形成的那些暂时的联系进行新的结合的过程。
科学想像不同于一般的想像，它是更为高级的形象思维活动，它是利用科学知识所造成的表象来创造新形象的过程，是依据已有的知识和经验，以一定的科学理论和科学技术方法为指导，发挥人的抽象、联想、猜测和幻想能力，超脱客观条件的限制，构思出未知事物的形象、未知的变化过程和变化规律的创造性思维活动。所以，也有人把联想、猜测、幻想等统称为想像，科学想像是人类区别于动物的独有才能。
马克思曾作了生动的比喻，他说：“蜘蛛的操作，和织工的操作类似；在蜂房的建筑上，蜜蜂的本事还使许多以建筑师为业的人惭愧。但是，使最拙劣的建筑师和最灵巧的蜜蜂相比显得优越的，自始就是这个事实：建筑师在以蜂蜡构成蜂房以前，已经在他的头脑中把它构成。劳动过程结束时，得到的结果，已经在劳动过程开始时，存在于劳动者的观念中，所以已经观念地存在着。”这说明建筑师比蜜蜂高明之处，主要在于他在劳动之前，就在头脑中已经构成了他将要建筑的东西的观念了。
人类在改造自然和社会的实践中，要求能预先想像出实践结果。于是，实践终了时的结果在实践开始时就已经以观念的形态存在于人类大脑中了。可见，想像产生于人类实践的需要，并随着人类社会实践的发展而发展，后来成了艺术活动和理论活动的重要因素。既然想像是人类创造新产品以及改造现实的有目的活动的主要环节，所以，想像并不神秘，它存在于所有的意识表现形式，甚至“在最简单的概括中，在最基本的一般概念中，都有一定成分的幻想”（列宁语）。
古往今来，物理学大师与发明家根据他们凭借想像力取得显赫成果的经验，认为想像力是从事物理学研究的极重要能力，甚至看得比知识还重要。爱困斯坦指出：“想像比知识更重要，因为知识是有限的，而想像力概括着世界上的一切……严格地说，想像力是科学研究中的实在因素。”
产生科学想像的机理
如前所述，想像是在头脑中改造记忆表象而创造新形象的过程，也是过去经验中已经形成的暂时联系进行新结合的过程。所以，从生理学观点看，想像产生的机理应当是：大脑皮层出现了许多暂时神经联系的新结合，而这种新结合是在外界刺激的作用下形成的——或者是在偶然刺激信息的作用下，使大脑皮层以前互不联系的某些刺激痕迹有选择地沟通联系了（无意想像）；或者是在一定的目的、语言化任务的提示下有选择地互通联系了（有意想像）。可见，想像不是凭空产生的，它要以已有事物、认识水平、知识和能力为基础，还要以外界刺激信息为激发因素。
科学想像与思维
M·纽曼指出，想像力的形象并非感觉印象的简单仿造，而是记忆的片断、重拟、解释和象征。他还认为，最能影响想像力形象的生成的是感情，还有概念思维。所以，科学想像应该是形象思维与逻辑思维相结合的产物。
形象思维主要是运用形象进行的思维活动，成果表现为形象的活动体系。逻辑思维主要是运用概念进行的思维活动，成果表现为概念的逻辑体系，两者既相对立又相统一。例如，概念是科学抽象的结果，而科学抽象是撇开次要方面、抽取主要方面的过程和神经联系重新组合的过程，这就不能不存在想像。因此，从感性直观到抽象概念的飞跃包含着一定的想像和幻想成分。又如，推理（特殊到一般的归纳、一般到特殊的演绎、特殊到特殊的类比、各种推理综合运用的假说）也包含有想像。数学在一定条件下把圆当做多边形，把sinx当做x，甚至使用着离开现实原型的-l；物理学的“理想气体”、“理想热机”等理想模型，也包含着想像成分。所以，可以认为，研究对象越复杂、抽象程度越高、推理层次越多，想像和幻想积累得就越多。哲学家往往比自然科学家更早地猜到自然规律，主要就是因为哲学比自然科学更为抽象，更便于运用想像和幻想来弥补现实资料的不足。总之，在用概念反映对象的过程中，逻辑思维是主要的而形象思维是次要的。但就科学想像本身而言，则不能简单地认为也是逻辑思维为主形象思维为次，而应该看做形象思维与逻辑思维相结合的产物，看做一种把概念与形象、抽象与具体、现实与未来、科学与幻想巧妙结合起来的独特思维方法。
（二）科学想像的特征
科学想像作为形象思维与逻辑思维相结合的产物，具有如下特征。
科学性
科学想像是以科学为根据，以现实条件为基础的想像、联想、猜测和幻想，不是毫无根据的胡思乱想。所以，科学想像虽然不是现实，但它借助现有科学知识能够阐明与现实的联系，以及在将来转化为现实的条件。
例如，牛顿对万有引力的想像，瓦特对蒸汽机的想像，现代人对未来电脑化家庭的想像，对2020年以后人类在月球上居住以及登上金星的想像，都是有根据的科学想像。如果一种想像与现实没有联系、在现有科学知识中找不出根据，那就不是科学想像，而是胡思乱想。例如，未来地球人的脑袋特别大、四肢非常弱小，人们将各取所需、需要什么就可以拿什么等等想像，就是没有科学根据的。
形象性
一般说来，科学想像（幻想）中的内容都是有形的，而不是纯概念之类。最蹩脚的建筑师从一开始就比最灵巧的蜜蜂高明的地方，是他在用蜂蜡建筑蜂房以前，已经在自己的头脑中把它建成了。建筑师在自己的想像中建房，思维材料既非蜂蜡亦非砖瓦，更不是纯语言，只能是表象。我们可以想像出一人一事、一景一物，却很难想像出纯粹抽象的概念如“力”、“运动”等。当需要想像抽象的内容时，也总要赋予它一定的形象（如表示力的有向线段）。惟其如此，才可不受语法或抽象思维规律的限制而自由驰骋，才能在科学创造中发挥独特的作用。
神奇性
科学想像常似神通广大的魔杖，忽天忽地、命星令月；思接千载、视通万里；呼风唤雨、变幻无穷；它可以对认识对象作适当剪裁加工，删去无关的而增补缺少的，如质点、理想气体等理想模型的建立；它可以把空间缩小、时间延长，变抽象为具体，赋予非生物以生命和人格，将宇观、微观现象作宏观考察，如卢瑟福对原子的太阳系模型的想像；它可以不受同一律、排中律的约束，观古今于须臾，概四海于一瞬，笼天地于形内，握万物于笔端。有人以蚌壳化石存在于高岩中来论证沧海桑田的变化。“沧桑之变”多少万年一次，人们从现在高岩中的蚌壳化石想像到千万年以前这里是大海，这岂不是思接千载、视通万里吗？对于科学想像的这种神奇性，我国古人称之为“神思”。
逻辑过程中断的跳跃性
推理要从前提一步步推出，其中的类比和假说虽有想像成分，但仍是经逻辑推理得出的，成果仍表现为概念的逻辑体系。而科学想像则表现为形象的联系组合，其思维过程越过了推证的中间步骤，而从作为出发点的现实条件和科学知识直接跳到思维成果，成果只能是一种形象描绘或形象描绘与不严密推理的结合。这里突出地体现了科学想像的一个重要特征，即它能为看来有天渊之别的事物接线搭桥，找到联系，发现间接联系的中介，使本来没有直接联系的事物搭上关系。
理想化和超现实性
科学想像虽以现实条件和科学知识为根据，但此依据毕竟不足以使它在理论上得到严格证明、在实践中立即实现，而只能作为科学发展的未来目标和人类实践在将来实现的理想蓝图而起作用。也就是说，这种目标和蓝图只具有将来实现的抽象可能性，并不具有将来实现的现实可能性。总之，科学想像既有捉摸不定的神奇味道，又是科学创造中的实在因素。正像一位思想家所说：想像犹如天上的星星，永远也摸不着；但它又像行驶海上的船长，我们得由它引航。
科学想像的特征也表现为它与逻辑思维的区别。尽管科学想像是形象思维与逻辑思维相结合的产物，但作为一种特殊的认识活动毕竟有许多不同于逻辑思维的地方：一是材料不同，想像的材料是表象，逻辑思维的材料是概念；二是内容不同，想像的内容是直观的、具体的和特殊的，逻辑思维的内容是抽象的、概括的和一般的；三是基础不同，想像的基础是形象选择的可能性，逻辑思维的基础是概念重新组合的可能性；四是过程不同，逻辑思维在解决问题时是一环扣一环的，而想像则可以在没有明确而充分的原始材料时跳跃式地得出结论。
（三）想像的类别
如前所述，想像是在某种观念的启发下，经过反复地探索而构想出的新观念。前者称为引发物，后者称为创造物。依据引发物和创造物之间的不同联系，我们可以把想像分为以下的不同类型。
有意想像与无意想像
根据有无自觉性和目的性来看，科学想像分为无意想像和有意想像。无预定目的或意图，在受到偶然性外界刺激信息的激发后，而想像到某些东西的过程，叫做无意想像。
例如，暴风雨来临之际看到翻滚的乌云而想像到天上有龙或巨狮怪兽，即为无意想像。想像者按一定的目的、任务而进行的想像，叫做有意想像。
再造想像与创造想像
根据想像产品的创造水平，想像可分为再造想像和创造想像。
（1）再造想像是根据语言文字的描述或图形的示意，在头脑中再现出以前未感知过的客体形象的思维活动。例如，工程技术人员和有经验的工人根据机器或工程设计图纸，就能够把预期产品或建筑物的形象在头脑中浮现出来。这些就属于再造想像。
再造想像在人们的学习、产品生产和工程建筑过程中得到了广泛的应用。它足人们接受已有的科学技术知识和理解教材内容所不可缺少的条件。有许多科学技术知识，它们所反映的物理内容和理论意义不是人们所能直接接触到的。读书或听讲这种学习和掌握前人研究成果的这种间接经验，就只有借助于再造想像，在头脑巾再现出没有直接感知过的与所讲的或与书中概念相适应的内容的具体新形象。这就是说，听者或读者在接受以语言或词的形式来叙述教材或其他科技书籍的内容时，一定要想像到与自己所了解的新概念相一致的东西。这就需要有高度发达的想像力。
要使人们的再造想像得到充分发挥，更好地学习和掌握已有的自然科学书籍所传授的知识，首先要扩大脑中记忆表象的储备。实践反复证明，一个人的记忆表象储备越多，他脑中愈易激起或形成再造想像，并且所展开的再造想像的内容也愈加丰富，从而会使人们对科学技术知识的内容领会得更加深刻、掌握得更牢固。
但是，再造想像的创造成分很少。
（2）创造想像是不依赖现成描述，而是根据预定的目的、任务，依据现成的描述，在某种观念、知识或事实等引发物的启发下，独立地创造出新观念、新形象等创造物的过程。它所构思的创造物与引发物多属不问类且往往不存在直接联系，因而创造水平较高。
创造想像的特点是首创性、独立性和新颖性。创造想像的形成和发展要比再造想像复杂得多、嗣难得多，因而需要有更充分的表象储备和积极的理论思维活动。创造想像对于社会历史的发展和人类的进步具有十分重要的意义。它的想像是开创的，是前人和他人所没有想像过的，是创新的思维活动，一切科学理论上的发现和技术上的发明，都需要创造性思维为之开路。
按引发物与创造物的联系方式，创造想像又可分为仿造想像、跳跃想像和复合想像，下面给以分述。
①仿造想像。这是模仿引发物而设想出与其类似的创造物的创造想像。例如，物理学家根据光的时间相干特性和空间相于特性，以及光的波粒二象陆、光的频宽与波串长度的傅里叶变换等知识，以光的简谐波模型为引发物设想出光的波串模型，从而简明地解释了光的干涉和电子跃迁现象。又如，忙诺热机模型、质点和刚体模型的提出，也都需要仿造想像。
仿造想像一般是以同类事物的同构性或性能的相似性为基础的、直观性较强的想像。仿造想像的基本方式是同类求新，即依据某事物想像出同类的新事物。
在这种想像中，引发物与创造物之间的联系还是相当直接的。这种想像的创造性水平较低；运用这种想像，逻辑概括的广度和深度也是很有限的，因此，是属于一初级创造想像。为了获得更大的创造性发现，科学还需要更高一级的想像方法。
②跳跃想像。所谓跳跃想像就是在掌握了某事物有关事实和知识的基础上，人们为了解决某种疑难问题，受一个或几个引发物的诱发而构思出与引发物不同类创造物（如一般原理或定律、假说等）的想像方法。
例如，原子与太阳系是差别很大的两类事物，卢瑟福的原子结构太阳系模型就是跳跃想像的结果。跳跃想像是在复杂关系下进行的高水平创造想像，其关键在于把引发物与创造物之间蛛丝马迹的间接联系发展成稳固而丰富的联系，然后再由引发物过渡到创造物。
1902年，人们已经知道放射性物质可以自发地放出α，β，γ射线，并伴随有气态放射性生成物，如镭变成氦和铅。富于想像又重视实验的年轻物理学家卢瑟福，用精巧的实验确认了α，β，γ射线的物质性，绘制了各元素放射强度随时间变化的曲线，发现了放射现象中的能量释放事实，终于以化合物分解成单质时释放能量的事实为引发物，提出了嬗变理论以及衰变系列模型。
1908年，他因此获得了诺贝尔奖，这是跳跃想像的成果。
这种类型的想像比起仿造想像来，创造性水平大为提高了，是更复杂更高级的想像活动。因为跳跃想像是在复杂关系下进行的，也就是说，由于引发物和创造物不是同类的对象，在它们之间不存在直接的联系。如何从引发物过渡到创造物？