自然科學研究中的審美活動初探

嚴瑾

（科學咨詢雜志社，重慶 401123）

人類文明的發展促進自然科學的誕生和進步，自然科學與社會科學、思維科學并稱科學三大領域，它是以定量作為手段，研究無機自然界和包括人的生物屬性在內的有機自然界的各門科學的總稱。自然科學認識的任務在于揭示自然界發生的現象以及自然現象發生過程的實質，自然科學認識的對象是整個自然界。科學工作者在探究自然規律的過程中，都有審美的感受。數學家彭加勒說：“科學家研究自然，并非因為這樣做有用處。他所以研究它，是因為他從中能得到樂趣。他所以能得到樂趣，那是因為它美。”自然科學本身雖然不是美學，但是富含美的素材，使科學工作者在探究的過程中，經歷很多美的體驗，從中可以看出，科學本身與藝術具有相通性。

一、自然科學中的獨特美

科學美指的是在自然科學研究中對自然現象和過程的規律性進行探究的一種理性美，是理智思考、領悟自然界規律的美，是審美者通過探索、想象、邏輯推理后所體驗到的美。盡管與其他美有不同的表現，但在本質上是一致的，是人類自由創造的精神產物。主要包括兩個方面的內容:

（一）科學作為審美對象所具有的內在即規律性的和諧美

和諧美體現的是一種理論結構和諧的秩序美，理論的和諧也反映出大自然長期進化的和諧與統一，和諧美能夠實現協調和對稱的發展，通過各種元素的結合形成和諧的整體。例如，愛因斯坦的質能關系式揭示了自然界微觀、宏觀、宇觀無數質能變化的規律，質能關系式為：E=mc2，它簡短但卻有很強的審美價值。這個簡潔的公式，對人類進步做出了卓越貢獻。又如，剖析幾何的美學價值在于它把代數、幾何、邏輯學都統一起來。

（二）人作為審美主體在科學活動過程中產生的美感

科學工作者的成果應具有獨創性，科學工作者對新的事物產生探究興趣，從中獲得更愉悅的感知和新的體驗，將兩個毫無關系的獨立體融合到一起，或者對事物的物質性質產生新的理解，打破人們的傳統認知，在科學創造中產生美感。例如，英國生物學家查爾斯·羅伯特·達爾文花大量時間考察不同生物性狀和環境的關系，最終得出了科學的生物進化論的理論。

二、自然科學中美的產生

（一）科學研究的對象常常有其美的特征

科學工作者不斷地探索，從千變萬化的自然萬物中探究其和諧統一的美的本質，在探索物質運動和結構中注重揭示物質本質聯系，同時利用數學語言進行表達，形成和諧統一的理論內容。比如，牛頓力學的美學價值在于它把宏觀運動統一起來；牛頓第一次提出宇宙和諧統一，將天體與地上的微小粒子統一為物體的運動，并形成和諧、嚴密的理論，實現物理與數學的綜合發展。麥克斯韋做出第二次統一，在安培、法拉第等人的研究基礎上形成電與磁的概括，對物理學知識進行二次綜合；愛因斯坦進行第三次統一，將牛頓力學與電磁學、質量、能量等進行統一，實現三次理論綜合。科學理論中，對稱性的美學意境，引起很多科學家心馳神往。如空間對稱、時間對稱、性狀對稱、守恒對稱（各種守恒定律）等，一旦被發現，常令科學工作者因窺探到自然奇異美麗的內部而興奮不已。生物學上的遺傳與變異，同化與異化；化學上的合成與分解，氧化與還原；物理上的電場與磁場，波粒二相性，負電子與正電子等都因有很美的對稱形式而受到欣賞。數學上，一個完美命題的充分條件和必要條件，就是這一命題的對稱美。

（二）科學探索的過程時常令科學研究者如癡如醉，忘我工作

科學工作者對大自然充滿熱愛，并對自然界有強烈的探究熱情，渴望實現更偉大的科學創造。德國有機化學家凱庫勒自稱在夢中發現了苯的結構簡式，凱庫勒的苯分子結構理論之所以美，不僅是因為它與實驗事實相符合，也因為它采取雙軸對稱的幾何圖形，給人以美的感受，這一理論極大地促進了芳香族化學的發展和有機化學工業的進步，充分體現了基礎理論研究對于科技和經濟進步的巨大推動作用。

偉大的科學家愛迪生傾盡畢生精力發明創造，他正式登記的發明就有1328種。他發明的很多電器至今仍然為我們所使用，這些偉大的發明促進了社會的發展和人類的進步。愛迪生發明了電燈，他為了選擇白熾燈的燈絲就用了上千種材料，胡須、頭發，家里的竹絲等都成為了他的實驗材料。愛迪生忘我工作的故事廣為流傳，他靠著堅持不懈努力鉆研的精神，成為了名副其實的“發明大王”。為了科學的進步和發展，許多科學研究者為追求科學美而耗盡畢生的精力。由此可見，自然科學的發展，來自于科學工作者的不斷研究和發現。

（三）科學發現的“真”本身也是令人嘆服的美

科學工作者嘗試用最美的語言對自然科學思想進行高度概括，比如，用凝練的定義、原理、公式等去概括大量的自然現象。在自然科學的研究中，數學語言已經被廣泛應用。科學研究者認為可以通過間接的數據定律對自然科學結論進行高度概括，比如，可以利用相對論力學、牛頓方程以及愛因斯坦方程等進行數學表達，總之利用特殊的數學結論對宇宙世界進行概括和總結。隨著現代科學的發展，數學的美是利用數學機制對客體進行認知和解釋，所有數學符號都被賦予美。這是因為數學本身具有抽象性、簡單性的特點，可以對理論內部的邏輯進行合理反映，保證邏輯的嚴謹性。例如，天文學中通過數學符號揭示了大量天體的運動規律和引力狀態，使自然科學融入數學的美中。又如，物理研究中的粒子與反粒子就是一種對稱美的表現。

三、科學美存在的作用

（一）點燃科技工作者的探究熱情

科學研究的對象是自然界，科學發現的目的在于揭示自然的奧秘，探尋其中的奧妙。大自然的美讓人震撼，無數科學工作者為之折服，投身于科學研究。科學工作者希望用自己的方式表達這種審美的情感，并把這種情感傳遞給能體驗它的人。科學工作者在科學研究中構建了大量的公式、假說等對客觀事物的本質進行反映。例如，愛因斯坦通過公式和假說對高速運動物理現象進行解析。科學工作者在科學研究前，都會先設定科研目標以及科研方向。但是科學創造是一個復雜的過程，研究中可能有諸多的不確定，使研究開始時的目標無法實現，需要重新確定研究方向。審美方法為科學工作者的科學研究和科學創造提供了諸多的啟迪和思考，防止科學研究中出現瓶頸。審美方法可以為科學工作者提供更多的思路，使科學工作者的研究思路從封閉的客觀事實進行拓展，打破傳統思維束縛，使思維向廣度和深度發展，擴大思維空間，點燃科學工作者自然科學研究的熱情。

（二）啟發自然科學創造靈感

科學美在自然科學研究的應用有利于為科學工作者提供靈感。科學工作者始終處于高強度的腦力工作中，每個科研項目都需要一個長期的研究、驗證和總結過程，注意力始終保持高度集中的狀態不利于創造力的激發。因此，科學工作者能夠從緊張的狀態中適當放松和調整，大自然萬物之美則能夠為科學工作者緊張的研究狀態提供調味料，使科學工作者枯燥的研究生活不再乏味，提升科學工作者精神的愉悅感，使科學工作者的緊張情緒得到有效緩解。此外，懂得欣賞研究對象的美還有利于調節科學工作者的精神生活，使中斷的研究思維重新閃現靈感。審美可以使科學工作者的大腦在忙碌的研究中適當得到放松和休息，而這種適當的放松更容易出現靈感，提升科學家的想象力和創造力，達到更好的創作效果。由此可見，審美方法雖然無法取代邏輯思維，但是卻可以作為一種重要的輔助模式。

（三）提供自然科學實驗建構

只有實踐才是檢驗認識真理的唯一標準，自然科學研究中離不開科學實驗的創造和驗證，然而在科學實驗研究中同樣存在著科學美。美國物理學邁克爾遜和莫雷合作，為研究“以太”漂移而設計制造出來的精密光學儀器。它是利用分振幅法產生雙光束以實現干涉。通過調整該干涉儀，可以產生等厚干涉條紋，也可以產生等傾干涉條紋。主要用于長度和折射率的測量，若觀察到干涉條紋移動一條，便是M2的動臂移動量為λ/2，等效于M1與M2之間的空氣膜厚度改變λ/2。邁克爾遜干涉儀用于驗證“以太”的存在，結果證明了光傳播速度的不變性，從而否定了“以太”的存在。

該實驗的美感體現在假設具有“以太”物質，那么“以太”物質必然會影響光的運動，因此可以以此為基礎對其運動速度進行測算，并結合美的對稱性原則，清除系統誤差，從不同角度反復實驗。自然科學研究中通過科學實驗的設計，能夠為科學工作者提供更多的研究反饋。科學工作者參考美的規律進行創造，可將美感融入科學實驗中。

四、自覺提高對美的鑒賞力

科學美存在于自然科學的發現、創造中，它是科學工作者探索自然規律，創造成果的顯現。科學工作者可以提高審美能力，用審美直覺和審美靈感幫助科學發現、科學分析。面對科學成果，有的科學工作者會產生強烈的美感，反之有的科學工作者卻毫無察覺，這就是科學美的感知和鑒賞的差距。

五、注重科學精神的培養

科學精神是在人類文明進程當中逐步發展形成的，科學精神源于近代科學的求知求真精神和理性與實證傳統，它隨著科學實踐的不斷發展，內涵不斷豐富。科學精神強調客觀驗證和邏輯論證相結合的嚴謹的方法，科學精神是在人類文明進程中逐步發展形成的，科學理論必須經受實驗、歷史和社會實踐的檢驗。一個人對科學美的感知和鑒賞能力也是最寶貴的精神財富。科學工作者提高對美的鑒賞力，一要不斷充實自己，有淵博的知識；二要有不懈追求真理的信念和捍衛真理的勇氣，在科學研究中，有實事求是、嚴謹的態度；三要有不畏艱苦，勤奮努力，發現和創造新的知識，為科學獻身的熱情。只有重視科學研究，全身心地投入參與科學研究，才能領悟到科學之美。對科學美的探索精神是科學研究者追求真理的精神素質，在科學發現和探索的過程中，科學之美在發現和探索的各個階段都會產生巨大作用，引導著科學工作者作出成績。

六、結束語

綜上所述，人類自然科學研究是一個嚴謹的邏輯思維過程，需要科學工作者結合客觀事實進行理智研究，但是同樣離不開美學方法的推動。每一個科學工作者都是科學美的追求者和實踐者，在科學研究中發現美的元素，創造美的結論。自然科學中客觀規律并不僅體現在被動的、機械的規律方面，還體現在審美標準上，通過審美方法的應用為科學發展提供原動力和研究靈感，使自然研究成果更豐富。希望科學工作者不斷發現美、感受美，為探索宇宙奧秘作出新的更大貢獻！