科學研究與審美

雷毅

在人們的心目中，科學與人文是兩個完全不同的領域。科學一向以嚴謹、務實著稱。然而，在忠實于實驗數據和嚴謹的邏輯推理背后，卻有著非常人文化的審美訴求。自然現象紛繁多樣，雜亂無章，但在科學家眼中卻充滿了秩序與和諧，科學研究的目的就在于把握自然的統一與和諧。在這種意義上，科學理論不僅要揭示自然界的規律，還要通過揭示規律展現自然界的和諧。因此，科學研究活動不僅是“求真”的過程，也是“審美”的過程。這就注定科學的創造性思維中需要審美能力的支持。

科學美

諾貝爾科學獎得主、天體物理學家錢德拉塞卡曾結合自己的科學工作深有感觸地指出“藝術和科學都追求一個不可捉摸的東西——美，但藝術工作者和科學工作者都具有不同的創造模式，這一點可以說使我苦思不得其解。那么，美是什么？在《精確科學中美的意義》一文中，海森堡給美下了一個定義。我認為這個定義是恰當的。海森堡的定義可追溯到古代，他說‘美是各個部分之間以及各部分與整體之間恰到好處的和諧。思考再三，我認為這個定義揭示了我們通常所說的美的本質。它同樣適用于《李爾王》、《莊嚴彌撒曲》和《自然哲學的數學原理》”。科學思維需要美感和鑒賞力。科學史上，無論是歐幾里德的幾何學、開普勒的行星三定律，還是愛因斯坦的質能關系式等等，它們不僅是科學理論，更是被視為“科學的藝術品”。在科學領域，不僅是科學理論、原理、定律，就是研究過程本身也充滿了美感。

DNA雙螺旋結構是二十世紀最偉大的科學發現之一，然而，這一偉大的發現發表在1953年的《自然》雜志上，卻只用了不到兩頁的篇幅。這個被稱之為“雙螺旋”的DNA結構的發現過程充滿了激情和美感。

有一次，沃森得到幾張DNA的X光衍射照片。他拿起一個放大鏡，仔細掃視圖畫。突然，他把目光停在一個十字狀的地方，對克里克說：“這地方有個交叉。我看這種螺旋很可能是雙層的，就像一個扶梯，旋轉而上，兩邊各有一個扶手。”沃森的話讓克里克也興奮了起來。但是連續十幾個月，兩人怎樣都擺弄不出一個理想的模型。1953年元旦剛過，他們又做了一個新模型。在兩股糖與磷酸組成的雙螺旋鏈之間夾著堿基對。這個模型倒是與已知的資料相符，但看上去很別扭。當時已知的堿基有四種：腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。當A與A和T與T相對接，可以符合已知的數據，但因堿基分子大小不同，使兩條螺旋骨架扭曲。沃森陷入了沉思，認為自然界DNA應該有簡潔、和諧及美的結構，不可能如此丑陋。沃森突發奇想。他決定暫時拋開科學依據，對這個模型純粹從美學的角度進行調整。按長短搭配，讓A和T及G和C配對。終于，眼前的模型變得宛如一條凌空飛舞的彩綢，舒展自如，再檢查全面情況，結果令沃森欣喜不已——模型竟然正好與資料情況相符。這是何等美妙的過程，DNA結構之謎由此解開了。

在古希臘的學術傳統中，以追求自由為最高目標的科學與人文原本是一體的，只是近代以后的學科分化使科學與人文形成了各自的文化。今天，人文文化與科學文化似乎已經形成巨大的鴻溝，彼此之間難以溝通了。然而，真正深刻理解科學和人文的人會把這種現象看成是膚淺的假象，他們會把科學與藝術、科學與美的關系看作科學界永恒的激動人心的話題。例如開普勒說過“數學是美的原型”，希爾伯特則將科學比做“一個繁花似錦的花園”，海森堡給出的定義為：“美是各部分相互間和各部分與整體之間的固有的和諧”，他把畢達哥拉斯發現數學（比例）與美（和諧）之間內在聯系的，比作人類歷史上真正重大的發現之一。他說：“如果大自然把我們引向人們先前從未遇到過的極其簡單和美的數學形式，那么，我們將不得不認為它們是‘真的”。

人們常說，科學求真，人文求善，真與善的結合可以達到美的境界。而那些偉大的科學家則會把真善美的統一視為科學的最高境界。自然界展現出來和諧、簡潔、統一的形態、秩序、節奏，要求科學既要揭示其外在的形式的美，又要揭示其內存的理性與邏輯的美。那么，科學家眼中的美究竟是什么？是自然界的簡明、和諧、對稱、統一和奇異。

在紛亂繁雜的自然表象中展現簡潔明了的規律便是一種科學美。稱自己是“一個到數學的簡單性中尋求真理的唯一可靠源泉的人”的愛因斯坦把科學的真理性與簡單性聯系起來，他認為科學的重要目標是“尋求一個能把觀察到的事實連接在一起的思想體系，它將具有最大可能的簡單性”。他相信，物理上真實的東西一定是邏輯上簡單的東西。在同事的眼里，愛因斯坦在構造一種理論時，他采取的方法與藝術家所用的方法具有某種共同性，他的目的在于求得簡單性和美。

如果大自然是有規律的，那么它就應該是和諧的。哥白尼在那個不合適宜的年代提出“異端的”日心說，不只是把托勒密地心說的本輪均輪減少了一半，而是把耀眼的太陽放在中心位置，使人心理上感到愉悅，各行星以簡潔和諧的同心圓方式繞日運行，這種想法令人愉快。

事物的美感不僅僅是和諧，還有均衡的對稱。葉片的葉脈、飛鳥的雙翅、蜜蜂的蜂巢等等無不體現著對稱的和諧之美。在科學的領域，物理、化學的結構與生物結構模型處處都展示對稱的和諧之美。從單擺運動到正電子的存在，從凱庫勒的苯環結構到沃森、克里克的DNA雙螺旋結構，都顯示出了對稱的科學美。

科學研究需要一種高超的審美能力

繁雜的自然現象背后隱藏著普遍的聯系和統一性，科學的目標就是揭示這種統一性。人們在牛頓的萬有引力定律中，在邁爾的能量守恒與轉化定律中，在麥克斯韋電磁理論的方程式中，在達爾文的進化論中、在門捷列夫的元素周期表中，在愛因斯坦的質能關系式中能夠清晰地看見自然世界高度的統一性。在給老同學的信中愛因斯坦寫道：“從那些看來同直接可見的真理十分不同的各種復雜的現象中認識到他們的統一性，那是一種壯麗的感覺。”

日常生活中恒定的物體，在相對論的時空中居然長度會縮短，運動的時間變慢，直進的光線也會彎曲了，不可思議吧！大哲學家培根說過：“沒有一個極美的東西不是在調和中有著某種奇異！”你能想象到龐大的生命信息只是由六十四個密碼（二十種氨基酸）構成嗎？而這六十四個密碼用四個字母構成，這意味著整個絢麗異彩的生命世界竟然由四個核苷酸支撐起，科學視域中的自然界真奇妙！

在這種意義上，一個真正的研究者所擁有的能力，不只是獲取數據的操作性技能，無論方式多么巧妙，更為重要的是他還必須擁有高度抽象的理性分析能力，能洞悉數據背后的關聯，因此，科學研究需要豐富的想象力和鑒賞力，就是那種善于從對稱、和諧、簡潔和統一的結合上敏銳地抓住問題的本質去創立理論的能力，這是一種高超的審美能力。這就是為什么物理學家費曼要說“干物理得有鑒賞力”。他正是憑著這種審美鑒賞力去審視和欣賞牛頓的萬有引力定律、麥克斯韋方程和愛因斯坦的相對論所體現的那種完美的結構，感受對稱性，守恒定律，最小作用量原理的普遍性；又通過自身的審美直覺去洞察自然界內在的美，創造出了體現過去與未來之間對稱性的費曼圖，并進而提出了一種新的理論，巧妙地避開了困擾量子場論計算中的發散困難，為量子場論確立了標準程序。

為什么科學家如此重視審美問題？而且，似乎科學越抽象和越精密，美的問題就越受到關注。甚至有人這樣評論：“衡量一個科學理論的成就，事實上就在于衡量它的美學價值。”“為科學理論和科學方法的合理性進行辯護，正是在它的美學價值方面。”其實，從科學研究的本質和源流上講，科學研究過程中的審美要求，不僅僅只是遵循了自然對象的特征，更多是源于我們對自然的信念以及由此而確立的科學精神。當我們運用自己的理性思考建立起和諧秩序的自然觀念，并在人與自然之間構筑起一種非功利的自由關系時，科學的精神也由此確立。這種自由的關系就是審美的關系，這就是為什么那么多科學家堅持自己審美的理想。愛因斯坦曾多次表示，科學的目的首先是提高人的精神境界，在這個科學探索的過程中與自然建立起一種自由的關系。一旦涉及到自由的話題，它就變得非常人文了，這也恰恰說明了科學與人文本質是一體的。科學探索中的理性、自由、求真，科學精神倡導的懷疑、批判和民主，都是人文的理想。在這種意義上，今天我們發展科學事業，僅僅強調外部投入和規范操作程序和行為規范遠遠不夠，必須以弘揚科學精神為根本，讓科學回歸人文。