管窥现代物理学家的科学美学观，本文主要内容关键词为：物理学家论文,美学论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
科学史表明，很多著名的中外物理学家，尤其是诺贝尔奖金荣膺者，对科学美都有所察觉和体味，都曾得到过生动的审美感受和崇高的审美享受。审美能力、审美意象、审美思维、审美观照、审美感等几乎为艺术领域所垄断的美学概念，也频频出现在物理科学理论的鉴赏及其创造的过程中。所以，现代物理学家都特别推崇科学美，将臻美也看成是物理科学创造的一个动机。自觉地把自然科学的准美学原则——简单性原则、对称性原则、自洽性与内在完备性原则等作为构造科学理论体系的有效工具和评价科学理论的重要标准。更有偏激者，如曾为牛顿作传的沙利文则认为：“引导科学家的动力归根结底是美学冲动的表示。”〔1 〕据此，本文将拟就现代物理学家的科学美学观，提出一管之见。
一、自然美也反映在自然科学的美之中
毋庸置疑，自然科学理论体系并不具备形象特征，它绝对不同于有形有象的事物那样，通过光、色、形、声等物质属性及其组合规律诸如匀称和比例、对称与均衡、反复与节奏以及多样的统一等传达给我们的感官，产生美的感染力。但是，在现代物理学家看来，他们在创造和欣赏某一科学理论时所引起的科学美感同艺术家的鉴赏或创作某一艺术作品时所产生的美感相比较，在本质上是相同的。例如在一篇论文宣讲之后，一项科研成果发表以后，最普通的评语之一就是：“这个理论真美！”“现在的模型较以前的漂亮多了！”在这里，“美”或“漂亮”所表达的内心感受，同听过一阕名曲，看过一幅名画，吟过一首名诗之后的感受，几乎没有什么两样。怪不得丹皮尔宣称牛顿力学赋予了世界画面以惊人的秩序与和谐所给我们的美感上的满足，超过诗人们的神秘想象所见到的、万花筒式的混乱的自然界。劳厄誉麦克斯韦方程组为“美学上真正完美的对称形式”。玻尔兹曼说他在阅读麦克斯韦空气动力学理论的杰出论文时所获得的喜悦，和聆听美妙的乐曲时所得到的幸福感受是相比拟的：“先是庄严地展开速度的变化，接着从一个方面引入状态方程，从另一个方面引入中心场的运动方程。公式的变化令人眼花缭乱。突然，我们好象听到了四次定音鼓的冲打声，‘取n＝5’这不吉利的精灵V （两个分子间的相对速度）消失了：就象迄今在乐曲中的低音部里占主导地位的形象突然沉默了一样，……”。〔2 〕海森堡曾称赞“相对论和量子论的出现……一大堆杂乱无章的细节由于出现了一种联系而几乎马上变得井然有序了。”〔3 〕而德布罗意则认为广义相对论对万有引力现象“解释的雅致和美丽是无可争辩的。它该作为20世界数字物理学的一个最优美的纪念碑而永垂不朽。”〔4 〕中国科学院院长周光召先生曾评论杨一米尔斯理论“有一种非常严格、完美的数学形式。”如此等等，不一而足。所以，海森堡指出：“虽然‘美’（或‘精巧的’）这个表示性质的形容词在这里确定是用来表征艺术的特性的，但美的王国却远远延伸到艺术领域之外。它无疑也包括精神生活的其它领域；自然美也反映在自然科学的美之中。”〔5 〕杨振宁和周培源也颇有同感。杨说：“科学中存在美，所有的科学家都有这种感受。”〔6〕周说：“科学本身并不全是枯燥的公式，而是有着潜在的美和无穷的趣味，科学探索本身也充满了诗意。”〔7〕
那么，科学中存在着何种潜在的美？又为什么有着这种潜在的美呢？
杨振宁指出：“它（按：指自然界）具有某种内在的善，内在的神秘性，并可推测还有内在的力，当然，更重要的是具有永恒的美。”〔8〕爱因斯坦也曾谈到，要是不相信我们世界的内在和谐， 那就不可能有科学。并相信自然规律的简单性具有一种客观的特征，它并非只是思维经济的结果。在姹紫嫣红的物质世界中，尽管各种自然现象和过程千差万别，千变万化，令人目不暇给，但客观自然界在本质层次上是美的。一则大千世界是和谐统一的，它包含着五个方面的内容：有机整体是和谐统一的基础；对称性是物质内部联系和规律的和谐；比例协调和结构合理是物质系统内各种对立、差异部分、要素之间关系的程序；规律性是物质系统运行、变化和发展中的和谐；相似性是物质系统之间的和谐。二则自然界又是简单的，它的物质构造与运动形式常常采取最简单的方式：一切物质都由最简单的粒子（原子）复合组成，而粒子与物体的运动都采取最简单的路径：光沿着最简单的直线传播，行星或抛物体则沿着最简单的曲线——圆、椭圆、抛物线或双曲线运动，等等。既然物质世界深层的固有结构具有和谐、简单、对称、巧妙等特点，那么，自然界内在的这种简洁、和谐、有序等的美学特征，在揭示与描述它的奥秘的科学理论中就应当得到充分的反映。这就是科学理论之美的源泉。在物理学家那里，物理世界的美可以通过数学美表现出来。因为“数学中的一些概念提供了支配物理世界的基本结构。”〔9〕由此可见， 自然科学中存在着的和谐有序美、简单与对称性美，等等。它们不仅表现在科学研究的对象之中，而且通过数字方法、概念体系等为中介，还表现在科学理论的形式与结构之上。也正因为如此，上述众多的物理学家才能以难于相信的欢乐心情去欣赏物理科学中的美。
二、科学美是一种发展着的“深奥的美”
如上文所述，由于科学美具有不同于感性美那样附着于、蕴含于感性具体形象的特点，它是以自然界深层的固有结构——客观事物的内容美为其研究对象，不像传统美学那样研究的是自然事物的外在形式美。科学思维的目的就是要以一个简单而和谐的真理性观念图景去再现宇宙的和谐，并且力求两者在和谐度上应不断趋向于同。因此，科学美是一种潜藏在感性美之后的理性美，它的花朵只开放在抽象思维的领域，它的形式是由逻辑的彩带纺织而成。彭加勒说得好：“我在这里所说的美，不是给我们感官以印象的美，也不是质地美和表现美……。我的意思是说那种深奥的美，这种美在于各部分的和谐秩序，并且纯粹的理智能够把握它。”〔10〕正是彭加勒首先提出了科学美的明确定义，提出了科学美的实质在于反映自然界的和谐。这一点很重要，因为它揭示了科学美的本质属性之一——客观性。一些唯心主义者总是把科学与科学美看作是脱离自然与自然界的“人类理性的自由创造”，而那些具有机械唯物主义倾向的科学家总是强调自然对科学的客观优先地位。诚然，彭加勒关于科学美实质的论述是对这两种错误观点的有力批判和彻底的纠正。
这里值得一提的是：科学美的客观性，即科学美在于真，由于不同的物理学家看问题的角度往往有很大的差异，他们强调的方面不同，导致了关于“美”和“真”的统一性问题在逻辑结构上的不同。比如爱因斯坦坚持“真”是“美”的充分条件，而“美”是“真”的必要条件之一观点。韦尔和海森堡认为真的科学理论不一定是美的，可是美的科学理论却一定是真的。米格达尔却认为，真理是美的，因为真理体现的是宇宙的美妙及其和谐的协调；但他又认为，凡是美的，常常也是真实的。而在论及美的最终标准时，杨振宁则认为最终的判断是，它是否可用于自然界。但尽管如此，这决非是他们在科学理论的“真”与“美”的关系上有什么分歧，相反是完全一致的，也应该是一致的。关于这个问题，笔者曾在《自然科学美学》一书中的第五章进行过详细的论证，在此不再赘述。总之，在自然科学中，虽然科学美既不要逻辑的检验，也无需实验的验证。但是，不论美的还是不美的理论最后都要回到自然之中，由自然作出最后的判断。
自然界虽然和谐有序、简单与对称，但却不轻易向人们展示这种深层的结构、永恒的美。在这种情况下，科学家必须以自己独具特色的方式去体验、品偿、鉴赏和追求美。它主要表现在进入大自然本质的方式和进入大自然后对自然的感觉两个过程中。对于前者，自爱因斯坦以后，物理学中的由实验到理论的链条已被倒转，物理学家可以从一些原理出发建立理论。譬如麦克斯韦方程组从某种对称性就可以推导出来，然后由理论可以直接进入自然界的本质层次。从理论物理的角度来看，从几个方程式就可以直接到达自然的深层结构，这就如同从一粒沙子就可以看到宇宙一样。对此，现代物理学家均深有体会，用杨振宁的话来说，称之为“奇迹的奇迹”，“自然总是选择最优雅、独特的数学结构去构造宇宙世界”〔11〕的。科学家体验美的第二个过程是面对自然美和描述自然的理论美时所体验到的感受。物质世界如上所述从表面上看是错综复杂极其深奥的。然而，它的秘密可以用科学家所建立的一些基本概念和各类模型逐步地揭示出来，这些概念和模型就是被浓缩化了的自然界的结构，即缩小了的宇宙。从这个角度去理解自然，自然也是和谐而有规律的，因为它的“内在结构是建立在一些十分简单的原则基础上的，这些原则又被更深层、更复杂的对称概念所决定。”〔12〕因此，自然在本质上的简单性又表现在它服从于一定的规律，受一些特有的原则所支配。当科学家了解这一切的时候，他们会感到一种神秘的气氛，这在“常人是无法得以谋之一面的”。这时，他们便体验到了美，体验到了美的力量。这在杨振宁那里感觉到的是“会有一个触及灵魂的震动”，而对爱因斯坦来说，体验到的是“灵魂沉醉喜悦中的强烈战栗”。所以阿尔芬深有体会地说：“像画家运用色调，雕刻家利用石膏，音乐家通过音符来表达自己的见解和感受一样，科学家们是通过似乎是周围的浓缩物的公式和定理来表现自己的高水平的美感的。”〔13〕而这些浓缩物的公式和定理是由数学方式式、概念和模型具体表述出来的，它们是科学工作者在科学实践中，运用科学仪器和方法所获得的关于科学对象（可以感知到的那部分自然界）的本质及其规律性的知识。这就表明，科学美既和科学研究的主体有关，也和科学研究的对象——客体有关。在现代物理学家看来，科学活动的过程也是一个审美活动的过程。自然界的和谐与秩序是宇宙布局的精髓，而科学家身上存在着“理解这种秩序的渴望”。科学家正是在这种渴望与激情下，通过理解自然的和谐与秩序而进入大自然的本质层次。可见，如果自然界不美，科学家不会产生任何美感，如果科学家没有对美的渴望，他们也不会同大自然的美妙构造产生共鸣。科学家获得的美感是通过他们的科学创造活动而实现的；并且每一项精美绝伦的科研成果诸如相对论、弱电统一理论，等等，无一不记载着人的感觉力、思维力、意志力、联想力、想象力、技能、技巧、才智、情感、兴趣……。这一切正如马克思在《1844年经济学——哲学手稿》一书中所说：“劳动创造了美”；美是“人的本质的对象化”——这就是科学美的本质属性之二。
尽管自然界的内容美可以通过一定的逻辑规律，并运用数学语言、符号语文语言、数字语言、形象语言、图表语言和计算机语言等多种形式来表述，但在众多表述中，寻找最佳的表现方式（即美学形态），就是对科学美的追求。因为只有这样，才能实现自然界深层的固有的结构（简单、对称、和谐等）与人的认识、人类心灵深处的渴望在本质上的吻合。也只有科学美才能使人类相信，人类的思维是可靠的，人类心灵深处对美的渴望是能够实现的。例如，在19世纪70年代，安培、韦伯、莱蔓、格拉斯曼、麦克斯韦等人从不同的假定和表现方式出发，所得到的形式各异的电磁理论，都能同样好地顺利地解释静电场和准静力场及稳定电流的相互作用规律。但是，只有麦克斯韦出于对科学美的向往和执着追求，终于赋予他的电动力学公式组以“美学上真正完美的对称形式”而在竞争中最后取胜。
对于科学美的表现方式是什么？彭加勒对此虽未作出十分肯定的回答，但是他却把“雅致”、“和谐”、“对称”、“平衡”、“秩序”、“统一”、“方法的简单性”、“思维经济”等赋予科学美。彭加勒说：“在解中、在证明中，给我们以美感的东西是什么呢？是各部分的和谐，是它们的对称、它们的巧妙平衡。总而言之，就是引入秩序、给出统一，容许我们清楚地观察和理解整体与细节的东西。”这种科学美也表现为“方法的简单性和问题集合的复杂性的对立”，而且“与思维经济密切相关”。〔14〕在这形形色色的表现方式中，彭加勒最为强调的是“和谐”，认为“普遍和谐是众美之源”〔15〕“内部和谐是唯一的美”。〔16〕
三、科学美是推动科学发展的深层动力
韦尔声称：“我的工作总是力图把真和美统一起来，但当我必须在两者中挑选一个时，我总是选择美。”〔17〕狄拉克也认为，一个方程的美比它能拟合实验更加重要。因为这些崇尚科学美的理论物理学家不同于普通的科学工作者，他们进行科学认识的目的决不仅仅满足于求知的欲望，或者认为科学有用，特别是当代理论物理对自然的探索，离实际应用还有相当的距离。他们之所以积极地投身到人类的科学事业之中，在很大程度上依赖于对科学美的执着追求。在科学探索艰辛的征途上，他们不仅表现出不计名利、不计报酬、造福于人类的科学献身精神，而且具有真正的、深沉的科学美感，能领略到科学对象、科研成果美的真谛。在他们看来，科学除去实用价值外，更重要的是它内在积极的审美价值——这是科学美的本质属性之三。汤川秀树曾言及审美感似乎在抽象的符号中间给予物理学家以指导。杨振宁则将数学推理的审美价值视作鼓舞物理学家的充沛源泉。并且认为，我们越是研究下去，就能理解物理学广阔的新天地，它们是美的，有力量的。因此，科学在艺术上不足的程度，就是它作为科学不完善的程度。相反，“如果自然界给我们显示了一个非常简单和优美的数学形式……那么我们不得不相信它是‘真’的，它揭示了自然界的奥秘。”〔18〕所以科学理论体系也是按照美的规律去建造的，它必须遵循着自然科学的准美学原则。与此同时，科学美感直觉还是觉察未知的深层科学真理的折光。
在爱因斯坦的科学实践中，他能够自觉、潇洒自由地运用自然科学的准美学原则。如在创立狭义相对论时，爱因斯坦十分关心各种物理理论之间形式上的不对称。他发现，电动力学和力学之间关于运动相对性是不对称的。在论文的开头，他就揭示出，麦克斯韦电动力学应用到运动物体上，就要引起“似乎不是现象所固有的”“一些不对称”，他引用了导体和磁体相对运动的例子。为了消除该例子中理论解释的不对称，他把力学中的相对性原理提升为公设，推广到电动力学。在光量子论文中，爱因斯坦为了消除力学和电动力学二者在各自的实体（粒子和场）方面存在的不对称，而提出了光量子假设。
当今，物理学家们正按照爱因斯坦倡导的“和谐与统一”的准美学原则，以空前的热情发展着他所开创的统一事业。在“小统一”（弱电统一）理论被普遍接受的基础上，不仅“大统一”（弱电强统一）模型屈出不穷，而且创“超弦”风靡论坛。
所以，正确地运用自然科学的准美学原则，借以消除科学所特有的美学形态前后之间不洽的矛盾，是科学理论得以完善的重要因素，也是科学家确立宏伟的研究方向和坚定的研究信念，进行伟大的科学综合、创立高度抽象化、形式化的科学理论体系的强大动力。
科学美的另一个最神奇的作用在于，它能反映科学深层的折光，从而使人们有可能猜测到当时从理论上尚无法理解的深层科学真理。
例如，狄拉克通过他于1928年提出的形式上极为优美的相对论电子方程，预言了正电子的存在；1954年创立的杨——米尔斯理论，尽管它在形式上充斥着诱人的对称性美，然而它的生命力却在六十年代才开始显露。特别是它居然窥见到了当今高能物理的研究，在理论方面就是规范场论的时代，真叫人拍案叫绝。诸如此类之例，的确不胜枚举。
美的标准一次次超越了狭隘的“实验唯一”的准则！王淦昌告诫我们：“自然科学中并不缺少美”。学习和研究自然科学的人，只要具备一定的美学素养，就不难发现在科学知识的海洋中，处处都会激起美的波涛，泛起美的鳞纹。科学工作者只有体验和领略到科学美，才有可能象爱因斯坦那样，对和谐的宇宙产生赞叹、敬畏、迷恋之情，即宇宙宗教感情；才有可能按照美的规律，去追求以世界和谐为前提的科学理论的统一性，用数学的语言、逻辑的体系去完备地、统一地、简单地去构造出整个和谐的宇宙图景。
今天，科学美不光只是为现代物理学家所青睐，它已成为整个科学历史理论研究的重要内容，这就预示着思想观念的重要转变。科学不应有真与美的矛盾，而只应有真与美的和谐统一。科学美所揭示的科学真理与科学美感相统一的方向也是未来发展所应遵循的方向。
注释：
〔1〕〔17〕〔18〕《科学与哲学》1980年第4期
〔2〕〔6〕杨振宁：《美和理论物理学》，载《自然辩证法通讯》，1988年第1期。
〔3〕〔5〕海森堡：《精密科学中美的含义》，载《自然科学哲学问题丛刊》，1982年第1期。
〔4〕《纪念爱因斯坦译文集》，上海科技出版社1979年版，第256页。
〔7〕〔10〕《现代物理知识》，1992年第5期；1994年第3期。
〔8〕〔12〕杨振宁：《东西方教育文化的差异——兼谈科学美》，载《科学学译丛》1991年第5期。
〔9〕〔11〕杨振宁：Selected paper 1945～1980 With Commentary,W.H.Freeran and Company 1985，第23页。
〔13〕《艺术与数学》，载《中国青年报》1985年12月21日。
〔14〕〔15〕〔16〕彭加勒：《科学与方法》，英文译本1913年版，第373页；第209页；第285页。