科学研究与审美

　　在人们的心目中，科学与人文是两个完全不同的领域。科学一向以严谨、务实著称。然而，在忠实于实验数据和严谨的逻辑推理背后，却有着非常人文化的审美诉求。自然现象纷繁多样，杂乱无章，但在科学家眼中却充满了秩序与和谐，科学研究的目的就在于把握自然的统一与和谐。在这种意义上，科学理论不仅要揭示自然界的规律，还要通过揭示规律展现自然界的和谐。因此，科学研究活动不仅是“求真”的过程，也是“审美”的过程。这就注定科学的创造性思维中需要审美能力的支持。

　　作者：雷毅

　　科学美

　　诺贝尔科学奖得主、天体物理学家钱德拉塞卡曾结合自己的科学工作深有感触地指出“艺术和科学都追求一个不可捉摸的东西――美，但艺术工作者和科学工作者都具有不同的创造模式，这一点可以说使我苦思不得其解。那么，美是什么？在《精确科学中美的意义》一文中，海森堡给美下了一个定义。我认为这个定义是恰当的。海森堡的定义可追溯到古代，他说‘美是各个部分之间以及各部分与整体之间恰到好处的和谐。’思考再三，我认为这个定义揭示了我们通常所说的美的本质。它同样适用于《李尔王》、《庄严弥撒曲》和《自然哲学的数学原理》”。科学思维需要美感和鉴赏力。科学史上，无论是欧几里德的几何学、开普勒的行星三定律，还是爱因斯坦的质能关系式等等，它们不仅是科学理论，更是被视为“科学的艺术品”。在科学领域，不仅是科学理论、原理、定律，就是研究过程本身也充满了美感。

　　DNA双螺旋结构是二十世纪最伟大的科学发现之一，然而，这一伟大的发现发表在1953年的《自然》杂志上，却只用了不到两页的篇幅。这个被称之为“双螺旋”的DNA结构的发现过程充满了激情和美感。

　　有一次，沃森得到几张DNA的X光衍射照片。他拿起一个放大镜，仔细扫视图画。突然，他把目光停在一个十字状的地方，对克里克说：“这地方有个交叉。我看这种螺旋很可能是双层的，就像一个扶梯，旋转而上，两边各有一个扶手。”沃森的话让克里克也兴奋了起来。但是连续十几个月，两人怎样都摆弄不出一个理想的模型。1953年元旦刚过，他们又做了一个新模型。在两股糖与磷酸组成的双螺旋链之间夹着碱基对。这个模型倒是与已知的资料相符，但看上去很别扭。当时已知的碱基有四种：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。当A与A和T与T相对接，可以符合已知的数据，但因碱基分子大小不同，使两条螺旋骨架扭曲。沃森陷入了沉思，认为自然界DNA应该有简洁、和谐及美的结构，不可能如此丑陋。沃森突发奇想。他决定暂时抛开科学依据，对这个模型纯粹从美学的角度进行调整。按长短搭配，让A和T及G和C配对。终于，眼前的模型变得宛如一条凌空飞舞的彩绸，舒展自如，再检查全面情况，结果令沃森欣喜不已――模型竟然正好与资料情况相符。这是何等美妙的过程，DNA结构之谜由此解开了。

　　在古希腊的学术传统中，以追求自由为最高目标的科学与人文原本是一体的，只是近代以后的学科分化使科学与人文形成了各自的文化。今天，人文文化与科学文化似乎已经形成巨大的鸿沟，彼此之间难以沟通了。然而，真正深刻理解科学和人文的人会把这种现象看成是肤浅的假象，他们会把科学与艺术、科学与美的关系看作科学界永恒的激动人心的话题。例如开普勒说过“数学是美的原型”，希尔伯特则将科学比做“一个繁花似锦的花园”，海森堡给出的定义为：“美是各部分相互间和各部分与整体之间的固有的和谐”，他把毕达哥拉斯发现数学（比例）与美（和谐）之间内在联系的，比作人类历史上真正重大的发现之一。他说：“如果大自然把我们引向人们先前从未遇到过的极其简单和美的数学形式，那么，我们将不得不认为它们是‘真的’”。

　　人们常说，科学求真，人文求善，真与善的结合可以达到美的境界。而那些伟大的科学家则会把真善美的统一视为科学的最高境界。自然界展现出来和谐、简洁、统一的形态、秩序、节奏，要求科学既要揭示其外在的形式的美，又要揭示其内存的理性与逻辑的美。那么，科学家眼中的美究竟是什么？是自然界的简明、和谐、对称、统一和奇异。

　　在纷乱繁杂的自然表象中展现简洁明了的规律便是一种科学美。称自己是“一个到数学的简单性中寻求真理的唯一可靠源泉的人”的爱因斯坦把科学的真理性与简单性联系起来，他认为科学的重要目标是“寻求一个能把观察到的事实连接在一起的思想体系，它将具有最大可能的简单性”。他相信，物理上真实的东西一定是逻辑上简单的东西。在同事的眼里，爱因斯坦在构造一种理论时，他采取的方法与艺术家所用的方法具有某种共同性，他的目的在于求得简单性和美。

　　如果大自然是有规律的，那么它就应该是和谐的。哥白尼在那个不合适宜的年代提出“异端的”日心说，不只是把托勒密地心说的本轮均轮减少了一半，而是把耀眼的太阳放在中心位置，使人心理上感到愉悦，各行星以简洁和谐的同心圆方式绕日运行，这种想法令人愉快。

　　事物的美感不仅仅是和谐，还有均衡的对称。叶片的叶脉、飞鸟的双翅、蜜蜂的蜂巢等等无不体现着对称的和谐之美。在科学的领域，物理、化学的结构与生物结构模型处处都展示对称的和谐之美。从单摆运动到正电子的存在，从凯库勒的苯环结构到沃森、克里克的DNA双螺旋结构，都显示出了对称的科学美。

　　科学研究需要一种高超的审美能力

　　繁杂的自然现象背后隐藏着普遍的联系和统一性，科学的目标就是揭示这种统一性。人们在牛顿的万有引力定律中，在迈尔的能量守恒与转化定律中，在麦克斯韦电磁理论的方程式中，在达尔文的进化论中、在门捷列夫的元素周期表中，在爱因斯坦的质能关系式中能够清晰地看见自然世界高度的统一性。在给老同学的信中爱因斯坦写道：“从那些看来同直接可见的真理十分不同的各种复杂的现象中认识到他们的统一性，那是一种壮丽的感觉。”

　　日常生活中恒定的物体，在相对论的时空中居然长度会缩短，运动的时间变慢，直进的光线也会弯曲了，不可思议吧！大哲学家培根说过：“没有一个极美的东西不是在调和中有着某种奇异！”你能想象到庞大的生命信息只是由六十四个密码（二十种氨基酸）构成吗？而这六十四个密码用四个字母构成，这意味着整个绚丽异彩的生命世界竟然由四个核苷酸支撑起，科学视域中的自然界真奇妙！

　　在这种意义上，一个真正的研究者所拥有的能力，不只是获取数据的操作性技能，无论方式多么巧妙，更为重要的是他还必须拥有高度抽象的理性分析能力，能洞悉数据背后的关联，因此，科学研究需要丰富的想象力和鉴赏力，就是那种善于从对称、和谐、简洁和统一的结合上敏锐地抓住问题的本质去创立理论的能力，这是一种高超的审美能力。这就是为什么物理学家费曼要说“干物理得有鉴赏力”。他正是凭着这种审美鉴赏力去审视和欣赏牛顿的万有引力定律、麦克斯韦方程和爱因斯坦的相对论所体现的那种完美的结构，感受对称性，守恒定律，最小作用量原理的普遍性；又通过自身的审美直觉去洞察自然界内在的美，创造出了体现过去与未来之间对称性的费曼图，并进而提出了一种新的理论，巧妙地避开了困扰量子场论计算中的发散困难，为量子场论确立了标准程序。

　　为什么科学家如此重视审美问题？而且，似乎科学越抽象和越精密，美的问题就越受到关注。甚至有人这样评论：“衡量一个科学理论的成就，事实上就在于衡量它的美学价值。”“为科学理论和科学方法的合理性进行辩护，正是在它的美学价值方面。”其实，从科学研究的本质和源流上讲，科学研究过程中的审美要求，不仅仅只是遵循了自然对象的特征，更多是源于我们对自然的信念以及由此而确立的科学精神。当我们运用自己的理性思考建立起和谐秩序的自然观念，并在人与自然之间构筑起一种非功利的自由关系时，科学的精神也由此确立。这种自由的关系就是审美的关系，这就是为什么那么多科学家坚持自己审美的理想。爱因斯坦曾多次表示，科学的目的首先是提高人的精神境界，在这个科学探索的过程中与自然建立起一种自由的关系。一旦涉及到自由的话题，它就变得非常人文了，这也恰恰说明了科学与人文本质是一体的。科学探索中的理性、自由、求真，科学精神倡导的怀疑、批判和民主，都是人文的理想。在这种意义上，今天我们发展科学事业，仅仅强调外部投入和规范操作程序和行为规范远远不够，必须以弘扬科学精神为根本，让科学回归人文。