從美學的角度看科學與藝術(shù)

涂銘旌 劉定祥

從美學的角度看科學與藝術(shù)

涂銘旌 劉定祥

專家檔案：

涂銘旌，中國工程院院士，博士生導師，四川大學教授，重慶文理學院兼職教授，重慶文理學院名譽院長，全國高等學校先進科技工作者。主要成果：獲國家科技進步二等獎一項、三等獎一項，獲國家自然科學三等獎一項，2000年以來獲省、部級科技進步一等獎一項、二等獎四項，獲四川省研究生教育優(yōu)秀成果二等獎一項。編寫并出版了《鋼的熱處理》、《機械零件失效分析與預防》、《材料創(chuàng)造發(fā)明學》等四本專著。

專家檔案：

劉定祥，重慶文理學院教授，重慶文理學院學報執(zhí)行主編，重慶市社科專家，學術(shù)主攻方向——統(tǒng)計學和數(shù)量經(jīng)濟。發(fā)表論文40多篇，獨著專著2部，合著專著3部，主編教材2部，主持和主研廳級以上的科研項目15項，獲獎20多項。

編者按：

中國工程院院士涂銘旌從教60年，教學、科研成果豐碩，他的創(chuàng)新思想、創(chuàng)新成果還在不斷涌現(xiàn)。涂院士在重慶文理學院（兼職教授、名譽院長）領(lǐng)銜研究材料科學,開啟人生第三次創(chuàng)業(yè)（第一次創(chuàng)業(yè)在西安交通大學參與第一批國家重點實驗室建設，第二次創(chuàng)業(yè)在四川大學創(chuàng)建稀土納米材料研究所，第三次創(chuàng)業(yè)在重慶文理學院創(chuàng)建材料交叉學科研究中心）。他的辦學理念、美學思想、科研方法、創(chuàng)業(yè)精神等推動著重慶文理學院的發(fā)展。涂院士對材料科學研究有突出貢獻，在哲學、管理學、美學等領(lǐng)域也有很深的造詣。《從美學角度看科學與藝術(shù)》一文融合科學與藝術(shù)的美學觀，閃耀著科學家的美學思想，科學中的藝術(shù)美（七分科學，三分藝術(shù)）、科技工作者要有藝術(shù)修養(yǎng)是涂院士教學科研實踐的總結(jié)；高等教育要打破文理隔絕，做到文理兼修、文理兼?zhèn)洌峭吭菏康霓k學理念。這對于提高大學生綜合素質(zhì)、提高科技工作者的藝術(shù)修養(yǎng)都具有重要的指導意義。目前，涂院士正帶領(lǐng)一批學者研究科學美與藝術(shù)美、科學與藝術(shù)對話、不同質(zhì)的美有相同的表現(xiàn)形式、科學與藝術(shù)同行。這些研究將豐富科學與藝術(shù)交叉的內(nèi)容，推動科學與藝術(shù)的融合，引領(lǐng)科技工作者提高藝術(shù)修養(yǎng)。我們期待著涂院士的創(chuàng)新科研成果不斷涌現(xiàn)。

科學和藝術(shù)擁有共同的簡潔美、對稱美、比例美、有序美、真善美等，科學美中有藝術(shù)，藝術(shù)美中有科學。現(xiàn)代科技與現(xiàn)代藝術(shù)正在互相滲透、互相溝通重新綜合為交叉學科和綜合藝術(shù)。現(xiàn)代大學教育應文理兼修、文理兼?zhèn)洹?/p>

美，既是一種客觀存在，也是一種主觀感覺。藝術(shù)家創(chuàng)造心中之美、想象之美，科學家發(fā)現(xiàn)自然之美、科學之美；藝術(shù)家看銀河——氣勢縱橫蒼穹，科學家看銀河——宇宙和諧統(tǒng)一。科學美、藝術(shù)美，皆源于自然之美。藝術(shù)家設計、造型追求曲線形、流線型的藝術(shù)美，在科學領(lǐng)域也有著相似的美。我國古代太極圖有“∽”形曲線美（圖1），宇宙中的旋轉(zhuǎn)星系如同太極圖一樣，也有“∽”型的曲線美，大熊座旋渦星系和銀河系平面圖都具有多條“S”型或反“S”型旋臂。微觀世界也是如此——遺傳基因DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型亦具太極圖的曲線美。科學美與藝術(shù)美有著極其相似之處，有內(nèi)在相關(guān)性，兩者“碰撞”產(chǎn)生燦爛的火花。

圖1 太極圖

圖2 牛胰島素分子

一.科學美

科學美，是科學家的思維規(guī)律與思維藝術(shù)碰撞的火花，是科學家的理性創(chuàng)造與自然美的和諧統(tǒng)一。科學美顯示出自然界內(nèi)在的美，只有具有相當知識水平的人才能欣賞這種美，科學家看星系、宇宙、粒子運動等都蘊藏著美的特質(zhì)。科學之美，是自然界的合唱隊——相反的、極度的和中等的自然之聲唱出統(tǒng)一的、多美的音樂，是和諧統(tǒng)一的美，只有熱愛科學的人，才能欣賞這種美。科學家愛科學而感到科學的美，科學的美使科學家愛科學。科學家對科學美的追求，支配著科學家的直覺，支配著科學家的科學研究過程，推動重大理論的突破。科學美有以下表現(xiàn)：

科學簡潔美。物質(zhì)運動遵循簡單性原理，可以用簡易方法完成的事情就不用麻煩的方法去做。科學美表現(xiàn)出從盡可能簡單的前提推導出盡可能眾多的結(jié)論。歐幾里德幾何學從幾條公理演繹推理,建造出富麗堂皇的幾何學大廈；質(zhì)能方程“E=mc2”何等簡潔，卻表達了物質(zhì)質(zhì)量與能量間轉(zhuǎn)化所遵循的規(guī)律。這種美就是科學的簡潔之美。

科學對稱美。金剛石打磨后璀璨奪目，其內(nèi)在結(jié)構(gòu)猶如金字塔般優(yōu)美壯觀。物質(zhì)晶體、分子、原子結(jié)構(gòu)對稱協(xié)調(diào)性，牛胰島素分子結(jié)構(gòu)（圖2）的對稱性，都蘊藏著科學的對稱美。有規(guī)律的重復也是對稱美，如：元素周期表是對稱之美，生物學中DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)優(yōu)美的“∽”形、曲線形、流線型也是對稱美。

科學比例美。線段AB上的一點C,使AC:CB=CB:AB≈0.618，則C點為黃金分割點。黃金分割表現(xiàn)了一種和諧的比例，頗具視覺美感，將其向科學和藝術(shù)領(lǐng)域推廣。人體之美，因有黃金分割：成人的肚臍位于身高的黃金分割點,人的眼睛、鼻端是面部長度的黃金分割點，肘關(guān)節(jié)是臂長的黃金分割點，膝關(guān)節(jié)是腿長的黃金分割點，等等。

科學有序美。科學家通過科研工作、科研發(fā)現(xiàn)，利用圖表、公式、原理等，使看似混亂實則有內(nèi)在規(guī)律之美以簡潔有序的方式呈現(xiàn)出來，表現(xiàn)科學的有序美,元素周期表、日心說和生物樹譜等都是科學有序美的精品。

科學真善美。科學求真，揭示客觀的規(guī)律；科學求善，滿足人們需要。人們在求真的同時也在求善、求美，科學家對真理的追求總是盡善盡美。物理學家何祚麻認為，科學成果的評價標準：一是美學標準，二是學術(shù)標準，三是真、善標準。

二.藝術(shù)美

藝術(shù)美，是客觀現(xiàn)實美與藝術(shù)家的思想感情的統(tǒng)一，是藝術(shù)家按照審美實踐要求、審美理想指引、美學規(guī)律等所創(chuàng)造的一種綜合美。藝術(shù)美來源于現(xiàn)實美，是對現(xiàn)實生活和客觀世界的提煉和升華，是主觀對客觀世界的再創(chuàng)造，是真、善、美在藝術(shù)作品中的統(tǒng)一。藝術(shù)美也有科學美的表現(xiàn)。

藝術(shù)簡潔美。簡潔美——視覺完整、單純和一目了然，是現(xiàn)代生活快節(jié)奏、高效率的要求，“刪繁就簡三秋樹，領(lǐng)異標新二月花”（鄭板橋語）。繪畫以瞬間包容始末、以局部表現(xiàn)全部，建筑追求簡潔、明快，等等，這些都是藝術(shù)的簡潔美。簡單的五線譜表現(xiàn)出人類極為復雜的感情世界,《生日快樂》、《北京歡迎你》等歌曲的歌詞、曲調(diào)都扣人心弦，舞蹈健美身姿折射出人情物態(tài),等等，這些都展現(xiàn)出藝術(shù)的簡潔美。《三國》、《水滸》、《西游記》、《紅樓夢》四大名著都以最簡練的筆墨表現(xiàn)最豐富的內(nèi)容，都以極少的文字承載著極多的信息，這種文學藝術(shù)之美一直受人推崇。藝術(shù)的簡潔美能夠產(chǎn)生良好的功能效用。

藝術(shù)對稱美。對稱美作用于人的視覺，使人在心理上產(chǎn)生美感，是形式美作用于人知覺的體現(xiàn)。我國律詩、絕句中的韻律、對仗、整齊的疊句是對稱美，故宮建筑物的分布是對稱美，現(xiàn)代建筑藝術(shù)、繪畫藝術(shù)、雜技造型等也展現(xiàn)出對稱美。對稱圖像形象地表現(xiàn)出美感，如蝴蝶左右對稱的翅膀、對稱的花紋圖案等（圖3）是典型的對稱美。大足石刻、敦煌壁畫等，都有不少對稱美的造像、造型。

藝術(shù)比例美。黃金分割的比例美、和諧美在繪畫、雕刻、音樂、建筑等藝術(shù)中展現(xiàn)出來，給人以美感。埃及金字塔、巴黎圣母院、埃菲爾鐵塔、希臘神廟等的設計都用到了黃金分割，產(chǎn)生了視覺美感。許多畫家喜愛畫馬,因為馬前腿縱線黃金分割馬的體長——形體美。長方形的長寬之比為黃金分割，黃金比矩形給人以美感。戲劇沖突的高潮和詩歌抒情的高潮置于整個篇幅的黃金分割點，會達到更好的藝術(shù)效果。

藝術(shù)有序美。藝術(shù)家使個人的混亂感受變得有條不紊，從無序中創(chuàng)造有序,從不和諧中創(chuàng)造和諧。藝術(shù)規(guī)律就是藝術(shù)的秩序。音樂中樂奏聲、歌聲融在一起形成整體、有序的美，室內(nèi)空間設計表現(xiàn)的有序美（圖4），等等，許多藝術(shù)作品都包含著有序美。美術(shù)通過描繪形象來表達思想感情，如張詠清的作品《夢》（圖5），描繪夢中森林——高山——藍天白云——蝴蝶紛飛……通過豐富的想象，展現(xiàn)出事物的有序美，表達作者對生活深刻的感受與理解。

藝術(shù)真善美。藝術(shù)有夸張，但原型真實，內(nèi)容與形式和諧統(tǒng)一，給人美感。地球儀之美，是因為它真實地反映了美麗的地球。不論是個性化的、自由化的藝術(shù)，還是技巧性的、理念性的、表現(xiàn)性的、情感性的藝術(shù)，只要是藝術(shù)創(chuàng)作者用真情實感創(chuàng)造和表達，只要讓人在愉悅中產(chǎn)生良好的審美感受，就是真善美的藝術(shù)，都使人見而樂之。虛假廣告和卑陋技術(shù)令人討厭。通過藝術(shù)美傳遞真善，培養(yǎng)人的高尚情趣，對社會有益。如《詩經(jīng)》格調(diào)高雅、表達的情感真摯，催發(fā)讀者的美善情感；又如優(yōu)秀的繪畫、書法能夠陶冶人的情操，等等。

圖3 蝴蝶

圖4 室內(nèi)設計

圖5 夢

三.科學美與藝術(shù)美的融通

從以上分析，科學和藝術(shù)都擁有簡潔美、對稱美、比例美、有序美、真善美等。科學美和藝術(shù)美存在內(nèi)在的一致性，它們?nèi)诤蟿?chuàng)新、創(chuàng)美是理所當然的。數(shù)學家的造型與畫家的造型領(lǐng)域不同，但異曲同工，可能表現(xiàn)出同樣或者類似的美感，一座漂亮的建筑往往是科學美與藝術(shù)美的統(tǒng)一……

物質(zhì)世界不同質(zhì)的美常常驚人地相似。如：硅納米復合材料和石墨，其斷面表現(xiàn)出美麗的花瓣、花朵圖形等；片狀石墨的花紋與菊花神似（圖6）；水分子結(jié)構(gòu)和晶體電子衍射斑環(huán)都有多層同心圓現(xiàn)象，猶如星際空間的美麗；酸蛋白質(zhì)分子和醫(yī)學分子結(jié)構(gòu)圖表現(xiàn)出五顏六色的環(huán)狀或鏈狀珠圖案，其華麗恰似少女和貴婦頸項上的名貴項鏈或者珠光寶氣的飾品（圖7）。這些不同質(zhì)的物質(zhì)展現(xiàn)出相似的美，就是因為科學美與藝術(shù)美是融通的。

科學美也有的極具藝術(shù)性，恰如藝術(shù)家創(chuàng)造的藝術(shù)品。如：C60分子結(jié)構(gòu)圖頗像一只足球（圖8），硅納米材料圖形多像一株株綻放的蒲公英（圖9），二氧化硅納米絲的美麗猶如朵朵向日葵（圖10），神經(jīng)細胞的顯微圖片也讓人想到阿娜多姿的花卉（圖11）。這些事物內(nèi)在的美通過具有相當認識水平的人藝術(shù)地表現(xiàn)出，從而使簡潔的形式富含深厚的理性美，是理性美與形式美的統(tǒng)一。

科學美是理性指引和創(chuàng)造的結(jié)果，藝術(shù)美是感性引導和創(chuàng)造的結(jié)果。但在美的形式、美學內(nèi)涵、審美感受、美的功能等方面，它們是相同的。如：蛋白酶分子的結(jié)構(gòu)彩圖猶如優(yōu)美的舞姿，高分子結(jié)構(gòu)圖猶如漂亮的舞蹈造型……

科學中存在藝術(shù)之美，這種美需要人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)、去發(fā)掘。歌德巴赫猜想的美引無數(shù)數(shù)學愛好者盡折腰——數(shù)學愛好者躍躍欲試破解此題，高智慧的數(shù)學研究者不斷改進方法攻克難關(guān)。如此吸引人的就是歌德巴赫猜想的表述簡潔、明快的藝術(shù)美。如此之美的還有楊暉三角形、三角函數(shù)關(guān)系正六邊記憶法等，都是藝術(shù)與科學融合的美。

中醫(yī)學是醫(yī)學科學與文學藝術(shù)的結(jié)合：中醫(yī)將物質(zhì)世界歸納為金、木、水、火、土等五種元素，將五種元素的相生相克形象地比擬為人體五臟之間、五腑之間、臟腑之間的內(nèi)在關(guān)系，由此產(chǎn)生五行學說、臟腑學說等，形象地、藝術(shù)地表達中醫(yī)的科學內(nèi)涵。張詠清美術(shù)作品《生命》（圖12）描繪：火熱的太陽烤得山石欲燃、曬得沙土欲焦，在火熱的沙漠里一珠蔥綠的植物頑強地生存著，藝術(shù)地反映了沙漠植物生存的科學性。

科學訴諸人的理智，藝術(shù)訴諸人的感情。科學和藝術(shù)相互滲透，產(chǎn)生新的思想火花。藝術(shù)的直覺、想像啟發(fā)科學發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明，科學技術(shù)的提高促進藝術(shù)形式的發(fā)展。科學和藝術(shù)都展現(xiàn)宇宙、自然和社會的和諧運動。科學和藝術(shù)的融合，協(xié)同人的認知功能，是科學家進行科學探索、科學發(fā)明的需要。科學創(chuàng)造和藝術(shù)創(chuàng)造都需要審美想像，想像是科學創(chuàng)造和藝術(shù)創(chuàng)造共同需要的。科學家對科學充滿激情、充滿想像，嚴肅、冷靜的科學研究，既有科學思維，又有審美欣賞。愛因斯坦在通過音樂了解作曲家的探索實質(zhì)的同時，他還勾勒出自然界的宏偉藍圖。科學研究要有科學與藝術(shù)的綜合，要有深邃的想像和大膽的猜測。科學家的想像過程，包含著審美過程，知識有限，想像無限。詹姆斯·沃森（1960）在夢中看到DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型（圖13），是藝術(shù)般的聯(lián)想與想像促成了他偉大科學成就。

圖6 菊花與片狀石墨

圖9 硅納米材料

圖7 酸蛋白質(zhì)分子與醫(yī)學分子結(jié)構(gòu)

圖10 向日葵與二氧化硅納米絲

圖8 C60分子結(jié)構(gòu)

圖11 花卉與神經(jīng)細胞

四.結(jié)語

科學知識會產(chǎn)生額外的美。要發(fā)現(xiàn)這種美，就要有渴求科學的激情；要表達這種美，就要講究藝術(shù)。科學和藝術(shù)在高水平上“合流”，七分科學融合三分藝術(shù)創(chuàng)造十分完美的科學美，科學內(nèi)容沒有藝術(shù)美的形式表達就不會深入人心。科技工作者要有文學藝術(shù)修養(yǎng)、要有真善美美德，“科技與人文結(jié)合，治學與修身相融”（朱光亞語）。高等教育應對學生進行科學美與藝術(shù)美的教育，打破文理隔絕，文理兼修、文理兼?zhèn)洌岣邔W生的綜合素質(zhì)。

重慶市高等教育教改重點項目（項目號：渝教高【2007】<24>）

致謝：董祥忠教授為本文提供了部分圖片，謹致謝意！

圖12 生命

圖13 夢中DNA