论音乐艺术对物理科学的思维启迪，本文主要内容关键词为：启迪论文,思维论文,物理论文,科学论文,艺术论文，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。
物理学与音乐都要以各自的同构方式，去反映大千世界无数现象背后的两种秩序：精确的、严格的秩序以及混沌、奔放的秩序，从而在形成各具特色的文化领域的同时，也使它们之间融洽达到了维妙维肖的程度。
除了早在古希腊时期人类就开始了对自然与音乐——声学之间关系的研究，并由此而分别在近代与现代时期，相继创立了天文学的音乐（如开普勒的“行星协奏曲”）和音乐物理学（如乐器物理学、电声保真电子学）之外，物理学与音乐间的相互交叉渗透、交融互补，还表现在更深的层次之中。本文所探讨的音乐对物理科学思维的启迪，就是一个极为生动的例证。
科学史上的名人传记表明，许多物理学家的科学创造活动都与音乐发生着千丝万缕的间接性联系，或者说音乐对物理科学思维表现出了神奇的魔力，这样的史例是不胜枚举的。
牛顿早在剑桥大学三一学院当学生的时候，就开始研究音乐。近年，牛津大学的一位音乐理论家古克女士发现，从牛顿1664—1665年的未发表的音乐笔记中看，牛顿研究音乐的方法基本上是数学的、组合的方法。牛顿认为，音乐中音阶的对称和美丽比它的实用更为重要，相信音乐具有重要的伦理价值，可以用来表示宇宙神圣的秩序。由此可见，牛顿终生所信奉的和谐与比例的统一原理，是与他的音乐素养息息相关的，是深受音乐艺术的启迪的。因为音乐所追求的是音阶的对称性美，“凡是美的都是和谐的和比例合度的，凡是和谐的和比例合度的就是真。”正是音乐所赋予牛顿的寻求宇宙布局和谐与比例合度的科学联想力，致使牛顿把行星绕日、月球绕地球、物体落地等表面上毫不相干的现象联系起来，并运用精确的数学方法对其作了定量的描述，从而创立了具有划时代意义的万有引力定律。
被英国皇家学会授予柯普莱奖章的威廉·赫歇耳，出生在德国汉诺威的一个军乐队的乐师之家，他本人就是一位小提琴手和风琴演奏家。由于他精于人世的音乐，使他的探索欲望超越了音乐所表现的有限时空，迷恋于倾听天文学的音乐。正是在这种科学好奇心的驱使下，使他在人世与天体两种音乐的对比中，终于在1781年利用他自制的反射式望远镜发现了天王星。
被举世闻名的滑稽大师卓别林称为“浪漫主义艺术家”的爱因斯坦，也与音乐艺术结下了不解之缘。他既是一个出色的“第一小提琴手”，又能弹得一手好钢琴。据他的夫人爱尔莎介绍，在爱因斯坦酝酿狭义相对论的那段日子里，他时而弹钢琴，时而停下来用笔写些什么。从不会见客人，甚至很少下楼吃饭，直到他的论文完成。
其他诸如在量子力学中曾作出过巨大贡献的普朗克、海森堡和玻恩；发现“宇宙射线”的维克多·赫斯；核科学中的杰出女先驱——丽丝·迈特纳等都非常酷爱音乐。他们中有的人不仅是乐器演奏家，甚至还是乐队的指挥家。其阵容之大，足以组成一支可观的乐队。毋庸置疑，这些卓越的物理学家的科学思想，或多或少地是诞生于音乐艺术情感的“奶母”之手的。他们的科学触觉及杰出的假想力，是借器乐的指法和乐曲优美的音符以及梦幻般的旋律而起飞、而翱翔的，并在一定的程度上，借助了音乐这种表达情感的艺术，进行了“思维的自由创造”。事实就是如此，在最精密的物理学中，如果不能出现音乐所引发的激情和才智的闪烁，那么再有天才的人物也很难找到真理的。
那么，对于那些具有“感受音乐的耳朵”的物理学巨匠来说，为什么能够利用音乐来启迪他们的科学思维呢？
首先，这是由于音乐和物理学拥有一个共同的目标，为了表现宇宙格局的精髓——和谐。
在爱因斯坦看来，音乐的音符和数学的公式都可以组成我们这个世界的图景，音乐和物理学互相补充，从不同的角度反映着我们这个世界的和谐与秩序。
就音乐而言，不论是歌唱还是演奏，都有其与众不同的“音乐语言”和“音乐形象”。这种以声音作为主要表现特征的流动着的时间艺术，就是以其独特的“音乐语言”和“音乐形象”，“把杂多导致统一，把不协调导致协调”，即“音乐是对立因素的和谐统一”〔1〕。 如果从其音乐声波的特点来看，大多数音乐曲调是由谐音组成的。事实上，整个音乐音阶是基于谐音音阶基础上的。这就是为什么音乐曲调听起来悦耳的基本原因，也就是为什么说音乐是用有组织的乐意编织起来的艺术篇章的缘由。
而作为研究物质运动最基本最普遍的形式的物理学，总是以探索自然界的对称与和谐为其最高宗旨。它能以自身的特有结构，使纷然杂陈的物质运动形式及其规律互相联系，多中有一，乱中有序，纷繁中见协调，差异中见统一。实际上，物理学史就是一部追求和谐统一的历史长卷。17世纪，牛顿力学把天上和地上的机械运动统一起来。19世纪，麦克斯韦的电磁理论把光、电、磁的现象统一起来。20世纪，爱因斯坦的狭义相对论又把高速的和低速的力学运动规律统一了起来。其中质能关系式又把质量和能量统一起来。这时牛顿力学便成为狭义相对论的一个极限。广义相对论则进一步把物质、运动、时间、空间和引力统一起来。量子力学的出现，不仅使牛顿力学又成为量子力学的一个极限，而且还能对物理运动、化学运动甚至生命运动作某些统一描述。现代物理学已深入到研究原子核、基本粒子层次中四种基本相互作用的统一。弱、电统一已在低能范围内被实践证实。当前的物理学正在向强、弱、电大统一理论进军。因此，物理运动规律其实就是自然界不同层次上的物质运动和谐统一的反映。
爱因斯坦说得好，“这个世界可以由音乐的音符组成，也可以由数学的公式组成”，虽然“音乐和物理学领域中的研究工作在起源上是不同的，可是被共同的目标联系着，这就是对表达未知的东西的企求。”〔2〕物理学家和音乐家都试图用统一和谐、 秩序井然的世界体系来代替经验的世界，并用来征服它。“他们都按自己的方式去做。各人都把世界体系及其构成作为他的感情生活的交点”〔3〕。 这就是以美作为探索活动的支点。无论其探索的动机是消极的还是积极的，实质都是对美的追求，只不过音乐被视为个人精神生活的消遣，物理学则被当作理性征服外部世界的手段。这样，它们两者就完全相通了。音乐与物理学一样，都是建筑在对自然界的征服的基础上，都是人类美的创造成果。虽然物理科学理论不具备形象特征，但物理学家在创造和欣赏某一科学理论时所产生的美感与音乐家在创作和欣赏某一乐曲时所产生的美感在本质上是相同的。物理学家和音乐家的创作手段和方式虽然不同，但他们都是为了求得那种“最佳和谐系统”，都是为了认识世界和改造世界。不仅如此，物理学与音乐的一些基本美学形态诸如和谐性、对称性、统一性等，也是一致的。美的物理科学理论与美的音乐作品一样，都展示了人的能动性和创造性，都体现了人的智慧和才能，一句话，都是人的本质力量的确证。
其次，是由于物理科学创造与音乐艺术的审美创造有着许多共同之处。
我们知道，物理学是人类认识世界、改造世界的活动之一，而音乐则是人类的精神世界、生活方式和行为活动等方面的反映，它们都是人类活动中的一种创造性活动。物理学与音乐共寓于人类生产活动这个母体中，各以不同的形式依靠共同的创造力去不断地创新和创作。诚如哈勃所说：“科学上的创造力和艺术上的创造力是同一个东西，这类共同的创造力是产生科学发现和艺术创造的源泉。”〔4〕
与此同时，物理科学理论的发现与音乐艺术作品的问世一样，都是人类智力过程的结果。亦即发明与创造既是物理学与音乐的共同基础，又是物理学家与音乐家所共同努力的方向。物理学家“满足于观察现存世界的神奇的结构，窥见它的一鳞半爪，并且以诚挚的努力去领悟在自然中显示出来的那个理性的一部分，即使只是极小的一部分，……也就心满意足了。”〔5〕而音乐家则视创作为其生命， 把创作一部好的音乐作品作为终身的最高愿望。此外，物理学家与音乐家对一些事物的看法存在着共同的认识。即使音乐家是通过音符来表达自己的见解和感受的，而物理学家是通过似乎是周围的浓缩物的公式和定理来表述其真知灼见的。但是，“正如伟大的……音乐家以独一无二的方式看待他们周围的世界一样，伟大的科学家也是这样做的。特别是在创造的时刻，这些学科之间的屏障就消失了。”〔6〕
音乐家在对自然和社会中的原始素材进行提炼、取舍、加工和构思中，作为艺术思维的主要方式是想象。音乐家必须发挥艺术想象来实破直接经验的局限性，不受时空的限制，让思维飞腾驰骋，从而把握到仅凭直接感受和知觉所不能把握的事物，对生活的反映更广阔、更深刻。如贝多芬的交响曲可以说是想象的产儿。
直觉和灵感是艺术思维过程中所出现的一种特殊的心理现象。它们是构思过程中认识的飞跃，是音乐形象孕育由不成熟到成熟的质变的表现。著名的奥地利作曲家莫扎特曾在一封信中叙述过自己创作时的感觉：“当我感觉良好并处于优美的情绪中时，当我乘车外出兜风之时，当我美餐一顿之后出去散步之时，或当我夜晚难以入眠的场合，往往各种思维即如我希冀那样流畅地涌现在我的脑海中。……当我抓住一个旋律之后，另外的旋律就会相继出现，……我继续扩展它，它也愈来愈清晰，而且不管它多么长，过程总会继续进行，直到整个作品在我脑海中完整出现为止。此时，我的心灵对于整个乐曲的专注，就象我的眼睛对于一幅美丽的图画或一位漂亮的少女的凝视一样地入神。虽然它的一些细节还有待于继续推敲，但就整体而言，我已经能够听到这首乐曲的动人心弦的演奏了。”〔7 〕德国著名诗人歌德在给洪堡的一封信中也谈到了音乐创作中灵感的作用，他说：“一个应该写出总谱来的天才音乐家，其自觉成分和不自觉的成分，它们的相互关系就跟经线和纬线一样。”〔8〕
在物理科学创造活动中，同样也需要上述这些非逻辑思维方式。如我们已经知道，上文中所论及的万有引力定律和狭义相对论等，都是物理学家借助“音乐形象”，动用形象思维与逻辑思维结合进行抽象的产特。因此，“即使在严格的科学研究中，没有想象力的自由发挥，也是不能前进的。”〔9〕“想象力比知识更重要”， “是科学研究中的实在因素”。〔10〕与此同时，直觉和灵感在提出科学假说、进行科学的判断和选择以及坚定的科学信念等方面均具有举足轻重的作用。如爱因斯坦关于“概念是思维的自由创造”的思想就是一个生动的例证。另外，“实验物理的全部伟大发现都是来源于一些人的直觉”，〔11〕难怪泡利说，理论物理学的新问题“对于科学家的直觉和机智有强烈的要求”。〔12〕
所以，“真正的科学和真正的音乐要求同样的思维过程”。〔13〕正因为如此，具有极好的艺术直觉能力的爱因斯坦，能把音乐的自然本质上升到理性的高度，产生普通人所无法感受到深刻美感。他不仅能把庄严、高亢的巴赫音乐同直冲云天的哥特式教学的形联系起来，而且同数学结构的严谨逻辑性联想在一起，领悟到科学和音乐的贯通。前苏联的库兹涅佐夫在《爱因斯坦》一书中，曾把这位伟大物理学家的创作同莫扎特的音乐创作进行了对比，惊奇地发现科学思维与艺术思维之间有着许许多多的相似相通之处。
既然物理科学创造与音乐艺术的审美创造之间有着许多共同之处，音乐艺术的形象思维对于物理科学思维的启迪作用就显而易见了。其中主要包括：音乐有助于物理学家了解作曲家的创作方法和思维方式，能促进物理科学思维中的形象组合、联络、形成概念和关系（如万有引力定律的发现）；有助于类比联想建立科学理论模型（如开普勒在一首名为《和谐的序曲》的提示下构建宇宙模型）；使物理学家保持自由与和谐的创造思维情境，增强他们的科学幻想力和“发现问题”的洞察力，从而大大扩展了思维领域（如威廉·赫歇耳发现天王星）。
随着人类知识愈来愈远离人们的感官直接所能掌握的物质层次，客观对象的现象与本质愈来愈脱节，从现象到本质的认识，需要更多的中间环节和转化，用较简单的归纳法总结出来的经验定律已远远不能满足现代复杂的物理科学理论建立的要求。在这种情况下，音乐所提供的精神力量（宇宙和谐的自然观）和创造性思维（尤其是扩散思维）就显得特别重要。
因为宇宙和谐的自然观“始终成为一种启迪人智慧的哲理而显示着它的光彩”。这就越发使音乐等其他的艺术形式，在物理科学创造活动中具有不可低估的重要地位。这正如尼尔斯·玻尔所指出，艺术之所以能丰富我们的想象，其原因“就在于艺术能给我们提示系统分析所达不到的和谐。可以说，文学、造型和音乐艺术形成表现方法的连贯性，而在这种连贯性中，越来越充分地放弃科学报道所特有的准确定义，从而为幻想提供更多的自由”〔14〕而诸如想象、幻想等扩散思维的特点是流畅、变通和独特。这种思维方式与聚合思维正好相反，它需要离开问题的中心然后向多方面散开，以便从多角度寻找解决问题的途径。在这过程中，它不受现成知识的制约，也不受传统方式的束缚，而是要不断补充、不断探求、不断发现，从而提出新的认识和见解。
上述的爱因斯坦在科学构思中时而弹钢琴一例，正是他利用音乐艺术给我们提示的系统分析所达不到的和谐方案，运用想象、直觉和猜测等扩散思维的方式，经过对事实的缜密考察，建立理论同感觉经验之间逻辑（主要是演绎）关系，来建造他的狭义相对论的。怪不得爱因斯坦曾有感爱地说：“艺术作品给我最高的幸福感受。我从中汲取的精神力量是任何其他领域所不及的……。”〔15〕
再次，现代脑科学的研究，又进一步为音乐对物理学创造所表现出的新奇魔力提供了有力的证据。
中间由两亿多条神经组成的胼胝相连接的人的大脑左右两半球，除了拥有不同的生理支配能力以外，还支配着不同的智力活动。根据前苏联心理学家和美国神经生理学家对脑的机能、脑生物电活动的测试发现，被称为“优势脑”或“语言脑”的左半球支配着语言、数学、逻辑等功能；被称为“音乐脑”的右半球支配着颜色、音乐、形象思维和直觉思维、情感等功能。人只有使大脑两半球均衡发展，综合使用，大脑的总效率才会成五倍或成十倍地增长。而今，许多人体科学研究专家多年的实践研究又表明：音乐具有开以右脑潜力、调整大脑两个半球的功能。
在人们运用“语言脑”紧张工作和学习之余，若能经常欣赏或演奏自己喜爱的音乐，便可激发大脑右半球产生新的兴奋灶，从而使“语言脑”得到充分的休整。更为重要的是能够改善由于左右脑平衡失调所造成的一侧半球的长期抑制状态，使大脑皮质兴奋性增高，同时其传导和储存能力也相应地得以提高，从而使大脑两半球的优势得到充分的配合和发挥。这如同心理学家劳伦斯所指出的那样，“只有当大脑右半球也充分得到利用时，这个人才最有创造力”。
诸如以上所提到的开普勒、牛顿、威廉·赫歇耳、爱因斯坦、普朗克、海森堡等一批卓越的物理学家，一生中最热衷的是物理学与音乐。他们之所以有惊人之创举，与他们既具有严密逻辑推理的左脑又具有形象思维发达的右脑是密切相关的。譬如，据有关资料报道，美国脑科学家在对爱因斯坦的大脑进行切片分析时发现，他的大脑神经突触比普通人多得多。这与他经常演奏小提琴和弹钢琴是分不开的。因为快速的左手运动会使右脑的神经系统受到反复刺激，而促进其神经细胞变大，继而分出许多突触和形成分叉，这是大脑发达的一种脑结构现象。
除音乐外，文学、诗歌、绘画、雕塑、甚至手艺等，均有助于物理学家创造性思维的发展。如伦琴对文学、绘画、手艺有着浓郁的兴趣；约翰·威廉·瑞利写得一手好文章；玻尔非常熟悉雕塑；薛定谔是诗人；汤川秀树从小就喜欢阅读中国古代道家的文学作品；理查德·费曼举行过个人画展；盖尔曼曾对乔伊斯的长篇小说《芬尼根的彻夜祭》入了迷，等等。事实表明，这些诺贝尔物理学奖金的荣誉者的卓越贡献，无一不与他们的艺术素养息息相关，真可谓是“通才取胜”。由此我们似乎可以得出这样一个结论：研究物理学的人，如果不懂得艺术，那将会是一个很大的欠缺。由此我们还可以进一步联想到，进行通才教育，强化对中小学生尤其是大学生和研究生“博学多才，通而后专”的才能的训练，这对培养和造就千百万跨世纪的复合型人才，确实具有重大的战略意义。它既是中国教育界的任务、时代制定的课题，又是“教育要面向现代化，面向世界，面向未来”的需要，还是世界范围战略争夺的制高点。
注释：
〔1〕《西方美学家论美和美感》P.140。
〔2〕〔3〕《爱因斯坦文集》卷1，商务印书馆1976年版，P.284；P.101。
〔4 〕米山国藏：《数学的精神思想和方法》， 四川教育出版社1988年版。
〔5〕《爱因斯坦文集》卷3，商务印书馆1979年版，P.45～P.46
〔6〕〔7〕雅克·阿达玛：《数学领域中的发明心理学》，江苏教育出版社1989年版。
〔8〕路德维希：《歌德传》，天津人民出版社1982年版。〔9〕普朗克：《唯理认识之途径》，商务印书馆1956年版。
〔10〕《爱因斯坦文集》卷1，商务印书馆1984年版。
〔11〕玻恩：《我这一代物理学》，商务印书馆1964年版，P.183。
〔12〕《纪念爱因斯坦译文集》，上海译文出版社1979 年版， P.271。
〔13〕〔14〕〔苏〕、门·A ·拉契科夫著：《科学学——问题·结构·基本原则》，科学出版社1984年，P.294；P.299。
〔15〕A·麦什科夫斯基：《爱伯特·爱因斯坦》莫斯科，1922 年，P.162。