第七章 科學美
第一節 眾說紛紜科學美
晶瑩的明月、飄逸的紅梅、瑰麗的山水，自然美使人心曠神怡。優美的樂曲、傳神的繪畫、婀娜的舞姿，藝術美使人動情和陶醉。對科學工作者來說，一個定理、公式、一種科學理論，也會使他們迷戀和神往，甚至產生難以抑製的激情，這就是科學美的魅力。
在人類文明史中，傳統的美學體係是從美學家的情感出發，以個人經驗為基礎構成的。他們往往采用內省的方法，在生活的直接經驗中捕捉美的現象，並以個人的經驗感受加以敘述。一般認為美屬於感情世界、形象世界。藝術中有美，社會中有美，大自然中有美。至於談到科學，隻有抽象的公式、邏輯的思維、枯躁的定理，一句話隻有真，沒有美。
雖然許多人認為沒有科學美，但是科學美卻越來越受到重視。現在我國出版的美學專著、雜誌以及文章，常常提到科學美，許多專家學者分別對科學美的本質、科學美感、科學美的特征等進行了較深入的探討。可以說這是我國美學領域的一大進步。
美是實踐的產物，是社會發展的結果。我們之所以說存在著科學美，是因為很多著名科學家都在各自的科學實踐活動中對科學美有所感受、體驗，並在構建自己的科學理論大廈時對此作了描述、闡發。在國外很多著名科學家很久以前就提出了科學美的概念。正如前蘇聯大百科全書“科學”條目所述：“在包括理論體係、教學公式、實驗方案及其思路在內的科學結構中，美學因素起著重要作用。古希臘歐幾裏德的《幾何原本》被譽為“科學史上的藝術品”，愛因斯坦和羅素都曾將它作為神奇的藝術品來閱讀和欣賞。愛因斯坦曾稱讚玻爾所提出的原子中的電子殼層模型及其定律是“思想領域中最高的音樂神韻”，而愛因斯坦的相對論則被不少科學家譽為物理學中最美的一個理論。玻爾說它“象一個被人遠遠觀賞的藝術作品”，玻爾茲曼曾經把麥克斯韋關於氣體力學的論文當作神奇壯美的交響樂來欣賞。盡管科學家們對科學美及其美感的闡發還缺乏係統性，但他們對科學美的肯定則是不容懷疑的。
中國科學院力學研究所年青的研究人員朱如曾在回答記者提出的“你研究激光物理不覺得枯燥嗎?”問題時說：“我從小就喜歡大自然的美。現在我追求的是激光物理中的美，學習、研究就是怎麼去認識它的美。我有一條學習方法就是自己提出問題、自己解決問題，就是找矛盾、找不美的地方。科學本身是美的，你不理解時，發現不了它的美，一旦解決了你提出的問題，由不理解達到理解，就是領略了它的美”。
傳統美學認為，美是人的本質力量的感性顯現。科學就是對規律的理論把握。當這種規律在實踐中被證明、肯定了人的本質力量的時候，也就會領略到科學的美，也會引起美感。
科學美是來源於自然美，並能為我們的理智所領悟的一種和諧。科學美與藝術美一樣，建築於自然美的基礎之上，是美的一種高級形式，是人類按照美的規律創造的結果。
有人曾提出：美的欣賞可分為三個層次：第一層次是外表美，如形狀、顏色、質地，作用於人的感官，這是人人都能欣賞的美；第二層次是藝術美，諸如電影、繪畫、音樂、戲劇、文學，這些就需要有一定的專業知識，才能真正欣賞他的美；第三層次是理性美，或曰內在美，這是最高層次的美，沒有相當的文化水平和科學素養，就不可能感受到這種美。這種提法雖有待完善，但卻有一定道理。
科學美畢竟不同於藝術美、自然美，其特點大致有四：
(1)科學美隻具抽象性。科學家可以發現和揭示自然本質及其規律的美，卻不能創造出具有可感性的形象、生動的美。
(2)科學美一般表現為理論形態。它突出科學上的“真”，美的形式必須為表現科學的真理服務。
(3)科學家的勞動具有很大程度的個體性特點，科學美是一種理智美，表現出明顯的個體性。
(4)科學美具有穩定性，一般不隨時代、民族、階級的變化而變化。如：自然科學的各種定律、公式能被不同時代、不同民族、不同階級的人們所普遍接受。古希臘歐幾裏德的幾何、我國南北朝時期祖衝之的“割圓術”，所顯示的科學美至今不衰。
科學美是由自然科學和美學綜合而形成的一門新興學科。它即是理科科學的一個分支科學，又是美學的一個分支科學。它的產生適應了列寧早在1917年就已經指出的自然科學奔向社會科學的曆史潮流，也體現了當代科學既高度分化，又高度綜合的特點，它是當代科學整體化趨勢的產物。在我國學術界，對科學美的研究還是近幾年的事情。雖然有許多學者如徐紀敏、張相輪、淩繼堯、姚思煌等同誌發表了一係列關於科學美學的論著，使許多人對科學美有了一定的理解和認識，但在美學界持否定意見者也不少。否定論者認為：“科學美”的概念並不是理論的創新，而是離開人類審美認識的發展軌跡來談美的問題。雖然美是由人的創造而誕生，但並非人的一切創造都是美的。人類創造的成果可以是美的，也可以是善的。從本質上說，科學創造是對客觀事物規律的理性發現，被科學發現的對象是真，科學無所謂美。
到底應該怎樣認識科學美呢?我們認為不應從強調科學與藝術的差別出發，而應著眼於科學與藝術的共性；不應隻從感性出發而應從感性與理性的結合出發；不應從觀念出發，而應從人類社會發展的實踐出發，隻有這樣才能突破美學研究的框框、開拓美學的新天地。筆者認為，張相輪和淩繼堯同誌合著的《科學技術之光》所寫的一段話對科學進行了很好的闡述：“理性的美是客觀世界的審美主體意識中的一種高級反映方式。具有理性的科學美，表現為對自然界或支配自然界的運動規律的科學理論，科學成果在結構上的理解和欣賞、科學家理解了它們結構的完滿性、係統性和秩序性，這種有機統一的，有規律的自然圖景同審美者對於大自然和對於科學勞動的真誠熱愛之情達到‘情景交融’的和諧心理狀態就會產生美的感受”。科學美是美的一種高級形式，它是在人類審美心理、審美意識達到較高的發展階段、理論思維與審美意識交融、滲透的情況下才得以產生，正如藝術家能夠比常人更容易理解欣賞和藝術美那樣，隻有具有較高科學素養的人才能理解、承認科學美。幾千年來，人類創造性的科學活動不斷地揭示出物質世界的內在奧秘及其發展規律，為人類從必然王國向自由王國的過渡開辟了越來越廣闊的前景。因此科學創造本身就是一種美的創造。科學美客觀地存在於人類創造性的科學發現和發明之中。科學美與工藝美、技術美具有同樣的審美意義。
雖然許多同誌不大理解科學美，但科學美卻越來越受到重視。如果認為生產有美學問題、生活有美學問題、商品有美學問題、景觀有美學問題、藝術有美學問題、唯獨科學沒有美學問題是說不通的。
為什麼說會存在著科學美呢?我們認為主要有以下幾點：
首先，從社會實踐的角度來看，科學是人類本質力量的顯示、是第一生產力。這與美學家通常說的美是人的美質力量的感性顯現殊途同歸，不謀而合。
我們知道：原始人狩獵所獲的動物，一方麵取其皮，肉供生活需用，滿足善的要求；另一方麵將其爪、齒、骨、角、羽、毛等留下來供欣賞，作為戰利品，以顯示自己的機靈、勇敢和智慧。久而久之，這一類東西就成為佩在身邊的飾物，具有了英雄美的象征意義。象征什麼呢?這就是象征自己高於動物的本質力量。人們欣賞這些飾物的美，就是欣賞自己通過對象所顯示出來的征服自然的精神和力量。這種美的定義，雖不能以偏概全，卻從一個側麵說明了美產生的過程。
科學是人類對事物發展的客觀規律和客觀真理在理論上的把握，而當人類掌握了事物發展的客觀規律和客觀真理，在實踐中能動地去改造客觀世界，在客觀對象上體現出人的智慧和創造精神的勝利時，這時的對象就具有了美的性質，主觀也就產生了美感。比如當科學家通過長久的辛勤工作、反複實驗、經曆了一次又一次的挫折和失敗，終於從礦物中提煉分離出某種新元素時，盡管這勞動產品隻有那麼一點點，但對完成這項發明和科學家來說，這些貌似平常的一小塊物質無疑是世界上最美的東西，因為在這個元素上同樣顯示了科學家的卓越才能和改造世界認識世界的力量。
實踐證明，人類科學史上許多重大成果不僅具有深遠的理論意義和巨大的使用價值，而且同時還具有高度的審美價值。在人類科學的寶庫裏，許多科學的奇珍異寶都發出一種特殊的美—科學美，它給人以強烈的美感。
其次，我們認為存在有科學美是因為她已為科學家和廣大科學工作者感受到了。
科學美首先是由科學史專家和科學家提出的。偉大的科學家居裏夫人指出：“科學的探索研究，其本身就含有至美”。科學的理論研究、科學實驗、科學的成果都有美。為牛頓和貝多芬作過傳的薩列凡曾經指出，科學對人類的貢獻有美學價值，他認為許多科學學說都是“超越之美物”。黎曼的幾何與普蘭克的鋼琴曲一樣優美，他甚至還認為，“一個科學理論成績的大小，事實上就是它的美學價值的大小。”
我們應當認真傾聽實踐的呼聲，傾聽科學家的呼聲，這樣才有助於對科學美的理解。
第三，科學美不僅蘊含著真，而且還閃爍著形式的光輝。
反對存在科學美的同誌，其主要論據之一就是認為科學美沒有光輝的形式。其實科學理論的美是有形式的。這種完美的形式就是表現在科學概念、公式、方程以及理論體係中的簡潔、和諧、對稱和邏輯的美。在科學史上，開普勒的天體運行三定律：T2=D3，牛頓的萬有引力公式：F1=km1m2r2，門捷列夫的化學元素周期表、愛因斯坦的廣義相對論公式等，都是科學美具有光輝形式的美的典範。她象詩一樣優美、雋永、耐人導味。
現代基本粒子理論是科學理論，我國物理學家黃克孫曾賦詞運用形象來描述它：
袋裏非常奇特，
層子二三成格。
隻怕運行時，
違反泡利原則。
顏色，顏色，
抹上三般顏色。
其實科學理論不但有美的形式，有的還有美的形象。掛圖、模型經常出現，即使科學論文也常用形象來說明。如原子理論中的層子模型、太陽係模型。在冶金學中，就有彩色金相學，那真是一個色彩繽紛、五光十色的圖的世界，一點也不亞於丹青聖手的傑作。
從某種意義上說，科學美比之藝術美、社會美更加輝煌、更加深遠、更加動人，也更加令人遐想!
第二節 科學美的曆史發展
通常人們認為傳統美學作為一門獨立的科學，起始於18世紀德國啟蒙運動時期的哲學家鮑姍嘉通，迄今不過兩百多年的曆史。但是科學美學的思想早在公元前就產生了，這就是畢達哥拉斯學派的科學學說，並一直影響至今。了解這個學派的科學美觀點，將有助於我們理解科學美的曆史。
畢達哥拉斯(約公元前580～約公元前500年)，一生精於數學研究。他在意大利南部的克羅頓傳播自己的哲學主張，成立了畢達哥拉斯學派。參加這個學派的，都是對自然現象感興趣的人。其中有數學家、天文學家、物理學家。這個學派的哲學觀點有一個最明顯的特征，就是用自然科學家的眼光和美學家的眼光來看待世界。他們的目的是想在自然界雜多的現象之中找出統攝一切的原則或元素。畢達哥拉斯通過他的數學研究，認為事物的本質是由數構成的，並不認為數就是人類純粹思維的產物。正是在這種意義上，畢達哥拉斯認為一切對象由數組成，或者認為數是宇宙的要素。在他心目中的數，十分類似今天我們心目中的原子。因此畢達哥拉斯認為，認識世界就在於認識支配著世界的數。這一學派堅信，數的原則是一切事物的原則。他們對科學美學現象解釋的出發點，就是這個數的原則。
在科學美學思想發展史上，畢達哥拉斯學派第一次提出了“美是和諧與比例”的觀點，認為整個天體就是一種和諧，宇宙的和諧是由數決定的。這種觀點對後世理論和數學理論的發展很有影響。他們認為和諧起於差異的對立，“和諧是雜多的統一，不協調因素的協調”。美與和諧既是他們所追求的科學美學思想，也是他們建立自然科學理論的原則。
畢達哥拉斯學派常把數用沙灘上的石子來表示。他們按石子所能排列的形狀進行分類研究。1、2、3、4這四個數，叫四象，特別受到重視，它們的和是10，據說人們參加畢達哥拉斯學派時所作的誓言是：謹以賦予我們靈魂的四家之名宣誓，長流不息的自然的根源包含於其中。他們把1、3、6、10這一類數，稱為三角形數，因為這些數所表示的石子可以排成三角形。這些數又可以進一步分解為：
1，1+2，1+2+3，1+2+3+4，……其和的求解公式為：1+2+3+4+……+n=12n(n+1)。因此自然數列之和，都是三角形數。他們把1、4、9、16一類數稱為正方形數。因為這些數所表示的石子可以排成正方形。這些數又可進一步分解為：
1，1+3，1+3+5，1+3+5+7，……其求和公式為：1+3+5+……+(2n-1)=n2
在對各種自然物體的本質探討過程中，他們認為平麵上最美的圖形是圓，空間裏最美的圖形是球。圓或球有著一種絕對對稱與和諧，使整體與部分顯得十分協調悅目。
根據對弦的振動的研究，畢達哥拉斯學派提出了關於音樂美學的科學理論。他們發現聲音的質的差別，例如音值的長短、音調的高低、音量的輕重、音色的優美等都是由發聲體在某個方麵數量的差別而決定的。例如弦的長度直接影響到音調的高低。音弦長，震動速度慢，聲音就低。他們總結出以下兩條音樂與數的原理：第一，彈弦所發出的聲音取決於弦的長度；第二，繃得一樣緊的弦，如果他們的長度成整數比，那麼就會產生諧音。例如兩根繃得一樣緊的弦，如果一根是另一根長的兩倍，那麼兩個音就相差八度。如果兩根弦長之比為三比二，那麼這時短弦發出的音就比長弦發出的音高五度。在這一基礎上，他們發展了關於音程的數學基礎的學說，製定了音階。他們還正確地提出了音樂的基本原則是數量原則。音樂節奏的和諧是由高低、長短、輕重各種不同的音調，按著一定數量上的比例所組成的。為此，他們認真研究了他們認為美的一些比和比例關係，提出了關於兩個數的算術平均值、幾何平均值等概念，並求出它們之間的比例關係。
畢達哥拉斯學派不但把數的和諧原則應用於音樂研究，而且還推廣到建築、雕刻等其他藝術形式中去，尤其值得指出的是，他們把這個數的和諧原則應用到對天體運動的研究方麵去了，他們堅信物體在空間運動時會發出聲音、音調的高低與運動速度有關。因此天上諸星體在遵照某種軌道運動時也演奏出一種和諧的樂章，在他們看來，宇宙中所發生的一切現象都隻具有美學的形式。這是科學美學的最早表述形式。
畢達哥拉斯學派的科學美學思想雖然明顯地帶有神秘主義的色彩，但是他們從科學美學思想出發，對自然現象的規律所作的一些天才的猜測，在宇宙學、數學、天文學、地學、生物學、醫學和音樂的發展初期，產生了巨大的影響。畢達哥拉斯提出的“和諧與比例”這一科學美學原則，成為哥白尼與開卜勒再次提出新的天文學見解的理論依據與信念的動力。
從畢達哥拉斯學派的美學觀，我們可以得到如下啟示：科學美學思想是在兩千多年前的古希臘時期就產生了，對自然界美的追求，是人的一種自然的天性。科學美學思想是發展世界科學的強大動力之一，並長期指導著人的科學發明和創造。
通古可以知今，鑒往可以知來，考察曆史上科學與美的曆程可以使我們從縱的方麵了解科學美學思想的來龍去脈，更好地理解科學美。
科學美學思想的發展曆程可大致劃分為三個大的階段：
第一個大階段從畢達哥拉斯時期一直到1750年；第二個大的階段從1750年到19世紀末、20世紀初；第三個階段從19世紀末、20世紀初開始，一直到今天。下邊對這三個階段作一簡單概述。
第一階段約從公元前580～公元1750年，這是自然科學和美學渾然一體的階段，它包括古希臘時期、古羅馬時期、中國古代時期、歐洲中世紀時期、中國中世紀時期、文藝複興運動和自然科學的獨立時期。這一時期，哲學、科學、美學是不分的，這一階段的哲學家，無論是唯物的，還是唯心的，隻要說到自然科學總要說到自然科學的美。
我國古代的美學思想由於受封建思想影響較深，一般都把美與善、美與德結合起來，但也不乏科學與美結合的實例。其中最有代表性的就是陰陽五行說。起源於商代的《易經》中提出陰陽兩個基本範疇，認為世間萬物都是由陰陽“交感”而產生的，自然界人類社會都要受到陰陽相反相生的製約。《國語》中記載單襄公的話說：“天六地五，數之常也”。“天六”即天有陰、陽、風、雨、晦、明六氣；“地五”即地有金、木、水、火、土五行，它們是生成天地萬物的本源。“天六地五”基本要素能夠有秩序、有規律地運動，整個宇宙就處於和諧美好的狀態。陰陽五行說把宇宙當作是由一定數量關係的基本要素所構成的合乎規律的整體。
我國古代著名道學家莊子還提出了“析萬物之理，判天地之美”的科學美學命題，把求宇宙的美與析萬物的結合起來，語言的精要、道理的深刻，今天仍給人們以啟迪。
在這一時期對科學美學貢獻最大的首推希臘著名學者畢達哥拉斯，他被譽為科學美學的鼻祖。
在科學美學思想發展史上，畢達哥拉斯學派第一次提出了“美是和諧與比例”的觀點，認為整個天體就是一種和諧，宇宙的和諧是由數決定的，這種觀點對後世科學理論和美學理論的發展很有影響，他們認為和諧起於差異的對立，“和諧是雜多的統一，不協調因素的協調”，美與和諧既是他們所追求的科學美學理想，也是他們建立自然科學理論的原則。
他們的這一科學美學思想是從數學與聲學的實踐中抽象出來的。傳說畢達哥拉斯一次走過一家打鐵場時，被傳出的有節奏的打鐵聲所吸引，他近前細聽後，竟發現發出諧音的鐵錘大小和重量，鐵敲擊錘敲擊時的不同輕重程度，都和諧音之間有一種確定的比例關係。畢達哥拉斯由此而受到啟發，於是便找到了所謂的“數之美”。
畢達哥拉斯學派不但把數的和諧原則應用於音樂研究，而且還推廣到建築、雕刻等其他藝術形式中去。尤其值得指出的是，他們把這個數的和諧原則應用到對天體運動的研究方麵去了。他們堅信物體在空間運動時會發出聲音，音調的高低與運動速度有關，因此天上諸星體在遵照某種軌道運動時也演奏出一種和諧的音樂，整個宇宙是一首和諧的樂章。在他們看來，宇宙中所發生的一切自然現象都有美學的性質。這是科學美學最早的表述形式。畢達哥拉斯學派也可以稱作最早的一批科學美學家，而數的和諧原則可以認為是人類最早提出的科學美學原則。
顯然，畢達哥拉斯學派不加分析地把宇宙萬物歸之於“數的和諧”，特別是據此還作過一些無根據的臆測，如認為10為完滿之數，便斷定天上運行的發光體必定有十個等等，說明他們的科學美學思想帶有濃厚的神秘主義的色彩，但是他們關於宇宙間充滿“數的和諧”的基本思想和信念，以及由此產生的對整個宇宙關係的基本猜測，都是具有合理的因素的，在宇宙學、數學、天文學、地學、生物學、醫學和音樂發展的初期產生了巨大的影響。
數學和諧的觀念，實際也正是哥白尼、開普勒所遵循的一條重要原則，如哥白尼曾說：太陽係的運行係列中，我們發現宇宙的妙不可言的對稱，以及各種運動軌道大小之間所明明白白顯示出來的和諧結合。如果不是這樣排列，就不可能發現這些，他甚至認為，指引他的與其說是獲得了“比地心說”更好的具體計算結果，還不如說是追求到了一種具有“完美形式”和令人驚歎的對稱性的宇宙模型。開普勒則正確地采用了橢圓軌道以代替哥白尼的行星按正圓形軌道運動的觀點，同時他也認為，宇宙是由可以用優美的數學形式來描繪的並由統一的物理規律所支配的，而且由此發現了著名的行星運動三定律。
14世紀發生於歐洲的文藝複興運動，不僅是一場深刻的思想解放運動，也使科學和藝術的結合達到了高潮。
文藝複興時代，現實世界開始成為繪畫的目標，為了在畫布上忠實地再現大自然，就麵對一個數學問題——即如何把三維的現實世界正確地繪製到二維畫布上。對這個問題的研究，導致產生了繪畫上的透視畫法和立體幾何。同時，由於繪畫的主題由神向人轉化，為了精確地再現人，人體比例的研究又促進了解剖學的發展，最後導致哈維發現了人體的血液循環，從而奠定了西方醫藥發展的基礎。
意大利畫家腓力普(1377～1446)是第一個認真研究並使用數學的藝術家。為了使二維的畫布能夠維妙維肖地再現三維的現實世界，他探索了透視法的數學原理，運用幾何和光學知識來增加繪畫藝術的立體感。阿爾伯特(1404～1472)在1435年寫了一本《論繪畫》的專著。這本書完全是用數學和光學等自然科學知識來論述繪畫技巧的，後來成了透視法數學體係的基礎，也是17世紀以後發展起來的攝影幾何學的出發點。弗蘭西斯卡(約1410～1492)更明確地說：透視法是繪畫的科學。為此，他寫了《透視畫法論》一書，提出了一些具體的繪畫法讓藝術家們選用，德國藝術家與數學家丟勒所著《圓規直尺測量法》既是一本幾何學的專著，又是一本講述透視原理的藝術指導書。丟勒還著有《人體比例研究》4卷，對黃金分割律在人體比例方麵的研究作出了貢獻。
總之在文藝複興時期，科學與藝術、美學不僅在理論上，而且在實踐上真正合二為一，出現了一大批集科學、美學與一身的多才多藝的人物，比如眾所周知的意大利列奧納多·達·芬奇，它不但是大畫家，還是力學家和工程師，他在許多領域都做出了重要貢獻。他認為，一幅畫必須是實體的精確再現，他堅信數學能幫助達到這點，對他來說，數學就是“繪畫的舵輪和準繩”，難怪後人稱讚他是“科學的藝術家，藝術的科學家”。
總之這一階段科學有如下特點：
(1)這一時期科學與美是緊密結合在一起的。
從這一階段的科學理論成果中，我們可以明顯地看到科學美學思想影響深廣，無論是科學家、藝術家、哲學家，在哲學家裏又無論是唯物的還是唯心的，隻要說到自然科學，總要提到自然界的美。許多哲學家、自然科學家寫出大量的美學專著，通過考察我們可以發現一個很有趣的現象，即第一個提出什麼是美的問題的人並不是社會科學家而是自然科學家，古希臘美思想的萌芽可以追溯到公元前6世紀。即畢達拉哥拉斯學派盛行的時代，到文藝複興時期，許多藝術家本身都有極高的科學素養，科學與美學在他們身上達到了高度的統一，得到了充分的體現。