科学之美与艺术之美
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科学之美与艺术之美
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来源：《科学导报》2017年第10期
杨振宁：1922出生，清华大学教授。原籍安徽，1942年毕业于西南联合大学物理学系，1944年在西南联合大学研究生毕业，1945年赴美留学，在芝加哥大学深造，获博士学位，历任芝加哥大学讲师、普林斯顿高级研究院研究员、纽约州立大学石溪分校教授兼物理研究所所长，是美国科学院院士、英国皇家学会会员、中国科学院外籍院士。与李政道合作，提出弱相互作用中宇称不守恒理论，共同获得1957年诺贝尔物理学奖。
物理学四阶段中的美
在讲科学与美的关系之前，我要先来谈谈物理学发展要经过的四个阶段。第一个阶段是实验，或者说是与实验有关系的一类活动；第二个阶段从实验结果提炼出来一些理论，叫作唯象理论；唯象理论成熟了以后，如果把其中的精华抽取出来，就成了理论架构——这是第三阶段；最后一个阶段，理论架构要跟数学发生关系。上述四个不同的步骤里都有美，美的性质不完全相同。
我以虹和霓的现象为例，讲讲实验。有人在很小的时候就看见过虹和霓，觉得漂亮极了，美极了。为什么会觉得美呢？因为觉得它们都呈圆弧状且有很特别的规律：虹是42度的圆弧，红色在外边，紫色在里边；霓是50度的弧，其色彩排列顺序与虹相反，红色在里头，紫色在外面。虹和霓具备这个规律，所以即使是小孩子也会觉得它们非常非常漂亮。这是一种在实验经验里美的标准例子。
实验阶段结束后，就到了唯象理论阶段。虹和霓到底是怎么一回事？了解多了以后我们就会发现，原来虹和霓是太阳光在小水珠里折射而产生的光学现象。在虹的小水珠里是一次内反射，在霓里是两次内反射。这样，我们就可以计算。计算的结果验证了这样的事实：一次或者两次反射以后，就会出来42度或者50度的弧。一个人了解到这点以后，他对于这个很美的现象的理解又深入了一层。
再进一步就到了理论架构阶段，这个到19世纪才完成。19世纪中叶，一个名叫麦克斯韦的英国人写下来了一组方程式，用这组方程式就可以彻底地解决折射现象的问题。在前面的唯象理论阶段，人们是不了解折射现象的，而麦克斯韦方程式可以告诉你为什么有折射现象。这就更进一步了，也等于更上一层楼。
再上一层是数学。麦克斯韦方程式是在19世纪中叶推导出来的，一个世纪以后，到了20世纪70年代，物理学家才了解原来这个麦克斯韦方程式的结构有极美的纯数学的根源，叫作纤维丛。纤维丛是一个数学观念，这个数学观念在发展的时候，与物理学没有关系，与实际现象没有关系。可是到了20世纪70年代的时候，人们忽然发现原来麦克斯韦方程式的结构就是龙源期刊网
纤维丛。这到达了一个更高的境界，使得我们知道原来世界上非常复杂、非常美丽的现象的背后是一组方程式，就是麦克斯韦方程式。
事实上，如果今天你问物理学家对于宇宙结构的了解，他们会告诉你，最后的最后就是一组方程式，包括牛顿的运动方程式、刚才讲到的麦克斯韦方程式，以及爱因斯坦的狭义和广义相对论方程式、狄拉克方程式和海森伯方程式。这七八个方程式就“住在”我们所看见的一切一切里，它们非常复杂，有的很美妙，有的则不是那么美妙，还有的很不容易被人理解，但宇宙结构都受这些方程式的主宰。
探寻科学中的诗意
麦克斯韦方程式看起来很简单，可是等到你懂了它的威力之后，会心生敬畏。因为无论是星云那么大的空间还是基本粒子内部那么小的空间，无论漫长的时间还是短短的一瞬，都受着这几个方程式控制。这是一种大美。我们也可以说这些方程式是造物者的诗篇。为什么？因为诗就是语言的精华。造物者用最浓缩的语言，掌握了世界万物包括人的结构、人的情感，世界上的一切都在“诗人”——造物者写下来的东西里浓缩起来了！其实这也是物理学家最后想达到的境界。
这些方程式的内涵往往随着物理学的发展而产生当初完全没有想到的新意义。我以诗歌对于读者的感受为例，阐述这一点。你少年时诵读一首诗，当时就会对那首诗歌的内涵、意境等有所了解。但当你进一步成熟之后，以及你步入晚年之后，又会发现这首诗的含义远远比你小时候所领悟的要多得多。同样的道理，这些方程式在不同时期被人们运用的时候，也会产生不同的新意义。
诗人对于科学的美曾经有过一些描述。英国大诗人威廉·布莱克写过一首有名的诗，译成中文是：一粒砂里有一个世界，一朵花里有一个天堂。把无穷无尽握于手掌，永恒宁非是刹那时光。陆机的《文赋》有这样一句话“观古今于须臾，抚四海于一瞬”，表达的意思类似。
上面两个例子，都是诗人用诗性的语言阐述对于宇宙结构的了解，传达出一种大美。
人类从远古以来就知道有日月星辰的运动，这些运动有很好的规则，可是在这些规则里又有一些不规则的变化，很奇怪。我想，这些现象是几千年、几万年以来人类要想了解又难以了解的。最后牛顿来了。牛顿的方程式对于日月循环，对于行星的运转甚至对于星云等一切天体运动的现象都有了非常准确的描述。我想，这是人类历史上非常重要也非常美的一个新的发展。
前面列举的诗句描述的是物理学的美，它们给了我们特别的感受。诗人对于美的描写很到位，可是仅有这些还不够，因为诗句里缺少庄严感、神圣感，以及初窥宇宙奥秘的畏惧感。这种庄严感、神圣感，也是哥特式教堂的建筑师们所要歌颂的东西，即崇高美、灵魂美、宗教美、最终极的美。这个最终极的美是客观的。 龙源期刊网
我们知道，早在人类尚未出现的时候，麦克斯韦方程式以及刚才所讲的那些方程式就已经支配着宇宙间的一切，所以这些最终极的美与人类没有关系。我想，庄子所讲的“天地有大美而不言”也包含类似的意思。
科学之美与艺术之美的差异
人类对艺术的了解远远早于对科学的了解。早在商朝，金属铸造师们就已经具备了非常好的艺术感。商朝小犀牛形青铜器、青铜觚都是很好的例证。青铜器的制造师们或许不懂甲骨文，更不懂艺术理论，可是他们对美的感受已经达到了极高的境界。
科学里终极的美是客观的，没有人类的时候就已经有这些美了。可是没有人类就没有艺术，也就没有艺术中的美。换句话说，科学中的美是“无我”的美，艺术中的美是“有我”的美。
大家知道，这个“无我”和“有我”的概念是王国维在《人间词话》里提出的，很有名。王国维拿它来描述诗词的意境，我想也可以拿来分辨科学中的美和艺术中的美的基本不同。
艺术创作的本质是什么？唐朝的画家张璪说是“外师造化，中得心源”。这句话概括地描述了艺术真正的精髓，道出了人类怎样感受到美并开展艺术创作。犀牛形青铜器的塑造者“外师造化”，它的美来源于铸造者所看到的一个真正的犀牛，所以这是写实的美。而青铜觚是一种“中得心源”的美，它之所以漂亮，是因为有曲线轮廓，用几何学的术语来讲叫“双曲线”。商朝的人当然不知道什么是“双曲线”，可是直觉告诉他这是抽象的美。这就是所谓的“中得心源”，是从心里了解到了自然界的美，因此青铜觚的美也是一种“写意”的美。
西方的艺术在很长一段时期里向写实方向发展，而东方的艺术则主要向写意方向发展。西方在19世纪才充分认识到写意美的重要意义，从而发展出来了印象派。
到了20世纪初，毕加索和勃拉克把多元审美观进一步具体化，创建了立体派。立体派的出现是艺术界的大革命。有人说他们是受了爱因斯坦在1905年提出的相对论的影响，这个观点很有意思，不过据我所知现在还没有成定论。毕加索等人的探索带来了20世纪众多的新尝试。毕加索是一个天才，他既有眼光和魄力，又有技巧，他关于创新的尝试非常多。可是，他的创新中也有怪异的东西，扭曲了美的含义。
科学追求的是认识世界、理解造化，并从认识中窥见大美。我认为，艺术若是完全朝着背离造化的方向发展，就会与美渐行渐远。
