论科学美在科学发现中的作用

[摘要]科学发现在本质上是创新的过程,除了规定的逻辑程序、心理因素的影响外,美的思想、美的意识、美的领悟也是促成科学发现的重要因素。本文将从科学美作为推动科学发现的动力、帮助科学发现的方法和鉴定发现成果的标准三个方面来分析科学美在科学发现中的作用。

[关键词]科学发现;美;科学美

[中图分类号]N05　[文献标识码]A　[文章编号]1008—2689(2010)02—0140—05

一、科学美的内涵

美学是一门古老的学问,经典的美学著作在谈到美的存在领域时,往往把美分为社会美、自然美和艺术美,认为美就是客体性质的外在体现,对美的理解更多地体现在表象的、经验的感性之美。沿着这样的美学定义,科学作为人类理性的产物是很难纳入到美学的研究视野的,甚至到了20世纪,哲学家也不愿意给科学活动中美的判断以重要的地位。但是18世纪哲学家哈奇森(Francis Hutcheson)的美学理论为科学美研究开辟了道路,他指出,客体的性质是感官知觉的唯一的直接材料,它不同于“观念”,而是“观念”的原因,美就是这样一种由外部客体的某些特定性质在人的头脑中引起的观念。由此,“把美这个词看作在我们头脑中引起的观念,把美感看作我们获取这一观念的能力。”

综观科学史,科学美作为一种观念发源于古希腊的数学理性传统。公元前约500年毕达哥拉斯学派开创的宇宙和谐论指出宇宙是和谐、有秩序的,并且它的规律性和秩序性隐藏在数的关系和结构之中。在他们眼里,和谐的数量关系就是美的本质,以这个原则为指导,构建了第一个宇宙结构等级模型——中心火宇宙模型。到了近代,自然科学的开创者几乎都秉承了毕达哥拉斯学派的传统,在天文学、物理学的探索活动中复兴了这种数的和谐观,坚信世界是按照完美的数学原则构造的,不懈地去寻求这种和谐美。哥白尼从数学角度对托勒密体系的不和谐提出了质疑,从而发动了天文学革命;开普勒继承了毕达哥拉斯学派思辨性的“天体谐音”的传统思想,以实证方法考察了天体间的和谐关系。探索宇宙的和谐美,几乎成为牛顿以后科学活动的时代风范。20世纪初,对宇宙和谐统一的认识、对自然美的理解达到了鼎盛时期,经彭加勒、爱因斯坦、狄拉克、海森堡等自然科学家对科学美的独特见解和钟爱,构建了一个个精致的物理学理论。由此可见,科学美作为观念引导着科学从自然哲学中脱胎而出,从最初的作为形而上的一种哲学功能而逐步物化为科学成果的形式和内容之美。

在经典的美学著作中,鲜有把科学美作为一种独立的美的形态进行研究,然而经常可以看到现代科学家、科学哲学家们对科学美的论述,他们的思想不乏闪光之处,但是较为零散。概括起来,科学美是指那些既不脱离具体客体,又赋予理性内涵的,充分体现出合理而巧妙的形态、结构、规则、秩序的自然现象、研究方法、研究过程或研究结果。

从科学美的外在形式上看,科学美表现在研究对象、研究成果之中。美籍华裔物理学家杨振宁通过归纳总结,把物理学之美分为三类,即现象之美、理论描述之美、理论结构之美。现象之美,也即自然之美,是指从人类的直观感受中所体会到的美,如蜿蜒起伏的山脉、波澜壮阔的海洋等。此外,还有一些只有训练有素的人才能领会到的美,如宇宙中行星的椭圆运动轨迹、微观晶体的正六面体晶格结构等,这种美表现出自然和谐、统一和有序的特点。理论描述之美,指的是人类对自然界一些基本性质进行很美的理论描述,如库仑定律、热力学第一、第二定律都是对自然界某些基本性质很美的理论描述,表现出适度、雅致的特点。理论结构之美,指的是人类对自然规律从理论上归纳出的漂亮数学结构,如牛顿的万有引力方程、麦克斯韦方程、爱因斯坦质能方程等。理论结构表现出对称、平衡、简单性的美学特征。

从科学美的内在思想蕴涵上看,科学美在于发现自然所深藏不露的秘密,在于它揭示自然界和谐、统一、简单的本质,更在于永无止境的探索精神。科学美最本质、最核心的含义是什么呢?法国著名科学家彭加勒曾一针见血地指出,“普遍和谐是众美之源”,“内部和谐是唯一之美”。

二、科学美在科学发现中的作用

科学发现是科学研究领域中的核心过程。所谓的“发现”,在《辞海》的解释是:“本有的事物或规律,经过探索、研究,才开始知道”。在英文中,发现(discovery)是指“使原来隐蔽着的东西显现出来”。在科学上,发现不仅是指发现某种新的科学事实,而且还包括发现者通过自由的心理活动和独特的实践,提出新的观念、概念、规律、理论以及方法论程序的过程,再延伸发现也包括鉴定、评价科学理论的过程,因为科学发现是一个试错的过程,是一个大胆尝试、小心求证的过程。总之,科学发现是一个从无到有、从混沌到有序、从粗糙到精致的创新过程,在这个过程中,除了规定的逻辑程序、心理因素的影响外,美的思想、美的意识、美的领悟也是促成科学发现的重要因素。甚至可以毫不夸张地说,在精密科学的某些重大发现中,科学美是启迪思想、明晰思想的最重要源泉之一。

(一)科学美是推动科学发现的强大动力,它来自对自然和谐、统一之美的深层体验和形而上的认识

科学研究的对象是自然界,科学发现的目的在于揭示自然的奥秘,找到自然的规律。自然本身所表现出来的美,正如英国文学家爱迪生所描述的,自然之美是伟大之外又加上一种美或奇特,例如惊涛骇浪中的海洋,由繁星装饰起来的天空……。这种外在形式的美自不必待言,而自然作为上帝的杰作,它的美不同寻常之处更在于它深层的和谐之美。自然界在外观上纷繁复杂,似乎杂乱无章,但在实质上是和谐统一,规则有序的。形式的多样性与本质的统一性,外在的复杂性和内在的单纯性,构成了自然界的基本特点。换言之,自然界是统一的、和谐的。正是存在于自然界的这种美不仅是指那些倏忽即逝的外在形式之美,而是指大自然内在深层结构所具有的简单、对称和巧妙秩序的理性之美,才为科学家的诞生和工作开辟了道路,科学家也成为赞美“上帝杰作”的最好诠释者。

大自然所具有的震撼人心之美,激励了无数的科学家想要“以最适当的方式来画出一幅简化的和易领悟的世界图像”,科学家通过自己切身的体会,感受到“渴望看到这种先定的和谐”,已成为“无穷的毅力和耐心的源泉”。科学家彭加勒曾说:“科学家研究自然界是因为它的美激起了科学家的热爱之情,这才产生了科学活动和整个人类生活。如果自然界不美,也就不会有科学活动”,“我们所作的工作,与其说像庸人认为的那样,我们埋头于此是为了得到物质的结果,倒不如说我们为了感受这种审美的情感,并把这种情感传给能体验它的人。”杨振宁投身于科学研究,对美的追求是他的动力之一,他曾宣称:“我们打算建造这些机器,不是因为我们想挥霍这400亿美元的公款,也不是我们乐于对基本粒子进行分类,这些都不

是原因,而是因为它具有某种内在的善,内在的神秘性,并可推测还有内在的力,当然,更重要的是具有永恒的美。”

爱因斯坦在《探索的动机》中曾归纳总结出,引导科学家进入科学殿堂的动机是各不相同的。他按动机将科学家分为三类:一类是为获得超乎平常人的智力上的快感,一类是为纯粹功利性目的,还有一类是渴望看到一种先天的和谐以欣赏科学所反映的美的境界。爱因斯坦所说的这第三类人恐怕就是最纯粹意义上的科学家了。彭加勒也曾表达过类似的想法,“科学研究自然并不是因为这样做有用处,而是因为自然界美,研究它可以从中得到乐趣。如果自然界不美,就不值得去了解,生命也就没有存在的价值”。爱因斯坦非常赞同彭加勒的这种思想,他说:“我同意彭加勒相信科学是值得追求的,因为它揭示了自然界的美。”对自然界和谐、统一的坚定信念已成为科学家从事科学活动的初衷,甚至内化为一种虔诚般的宗教信仰,它作为一种巨大的动力成为推动发现的力量源泉。

(二)科学美是帮助科学发现的奇妙工具,具有重要的方法论功能

对于许多科学家来说,对美的追求不仅是进行科学探索的动机和动力之源,也是他们行之有效的一种科学方法一准美学方法。这种准美学方法自始至终地贯穿在科学发现的全过程——提出问题、构建假说、评价理论——之中,起着不可或缺的作用。诚如爱因斯坦所言:“在科学领域里,时代的创造性的冲动有力地并发出来,在这里,对美的感觉和热爱找到了比门外汉所能想象的更多的表现机会。”科学美的助发现功能体现在以下方面:

科学美具有导引功能。进入某个领域,研究某类问题,也就是科学家站在科学发现的起点时,最初的判断往往并不是源于十分成熟的理性思考,而有赖于直觉的判断。杨振宁曾说当一个科学家在从事创造性工作时,他常常犹如站在交叉路口,他的“taste”(品味)是决定他选择哪一条道路的重要因素。这里,杨振宁把“taste”解释成好奇心和兴趣进一步升华而形成的一种判断,其中美的感悟、美的意识恐怕是它的核心因素。杨振宁还曾讲到,“常常有青年朋友问我,他应该研究物理,还是研究数学。我的回答是你对哪一个领域里的美和妙有更高的判断能力和更大的喜爱,你就应该选择哪个领域。”赞美的不同感受和领悟是引导科学家进入新的研究领域、选择科学问题的最直接诱因。

科学美具有建构功能。科学发现的过程既是揭示客观实在的过程,也是人的思想的创造过程。建构“科学艺术品”同音乐、雕塑等艺术创作一样,需要反复地打磨、玩味,而这其中一种最终的信念引导着你,并告诉你“一定要拿出最美的作品呈现给世人”,在科学中这个终极的标准就是“简单性”、“经济性”原则。科学家们运用科学美的标准大刀阔斧地挑选经得起反复推敲的科学事实,批判地考察理论赖以成立的逻辑基础,甚至对某些根深蒂固的基本假设和概念也不放过,对理论的基础进行改造,从而构建出形式简洁、文字精练、思想深刻的科学理论。

科学美具有选择功能。科学发现是在接受、继承前人研究的基础上而前进的,你认同了某个范式就等同于你选择了某种研究方法和道路。有些时候,同样一个问题,同样的事实,却同时存在几种不同的解释方案,你如何选择?如量子力学中薛定谔的波动力学和海森堡的矩阵力学同样具有很好的解释力,你的选择标准是什么?对美的感受和偏爱恐怕会起到一种微妙的选择功能。当某些组合是和谐的,同时也是有用的和美的,往往能激起科学家特殊的感觉,当这种特殊感觉一旦被唤起,就能把我们的注意力引向它们。正是这种特殊的审美感,起着微妙的筛选作用。诺贝尔物理学奖获得者、美籍印度科学家钱德拉萨克曾说过,“我的工作总是力图把真和美统一起来,但当我必须在两者中挑选一个时,我总是选择美。”科学美的这一功能贯穿在科学家探索的全过程中,他们通过审美感选择理论而做出发现,他们也通过审美判断鉴赏理论而坚定信心。

科学美具有预见功能。科学美的预见功能是指科学知识的延伸功能,它使科学面向未来。1871年,俄国化学家门捷列夫公布了他制定的第二张元素周期表,这是一张极富探索精神的周期表。他在编制元素周期表时,大胆地预言了11种未知的新元素,并在元素周期表上为它们预留了空位。他之所以敢下这样的预言,是因为他洞彻了元素周期表的规律。1875年,大的发现首次证明了门捷列夫的预言。布瓦博德朗曾说:“我认为没有必要再来说明门捷列夫这一理论的巨大意义了,元素周期表的规律导致了当时几十个欧洲的实验室拿着元素周期表像拿着地图一样去寻找其它的新元素。在美妙的周期表中有不美的地方,有一些空缺,科学家运用补美的方法进行探索,发现了其它元素,这也是科学美的方法论功能的一种体现。

由此可见,在科学发现、科学探索的过程中,科学美作为一种方法一直对此过程的不同阶段、不同层面发挥着作用,引导着科学家去创新。在科学家的心目中,科学发现就是在完成一件艺术品的创造,他们都是科学美的追求者和实践者。

(三)科学美是鉴定科学发现成果的重要标准

在科学实践活动中,越来越多的科学家开始注重科学美,科学美学标准与逻辑标准、经验标准一起成为鉴定和评价科学理论的重要标准之一。科学家们常常把一个科学理论是否符合和谐美、对称美或简单美要求作为判定它是否有真理性或具有可接受性的依据之一。特别是在当下,科学向纵深、广袤发展,在通过科学观察和实验来论证科学理论的内容变得越来越困难的情况下,科学美就在其中发挥重要作用。英国生理学家贝弗里奇曾指出:“有相当部分的科学思想并无足够的可靠知识作为有效推理的根据,而且势必只凭借鉴赏力的作用来做出判断。”

科学美作为鉴定科学理论真假与好坏的标准,它的原则具体体现在逻辑的简单性、结构的系统性、真理的普遍性。

爱因斯坦曾提出过评价科学理论的“双标尺”原则,其中“内部标准”指的就是逻辑前提的简单性,它强调在科学理论中,作为逻辑出发点的彼此独立的初始命题的数量要尽可能的少。爱因斯坦认为:“科学的目的,一方面是尽可能完备地理解全部感觉经验之间的关系,另一方面是通过最少个数的原始概念和原始关系的使用来达到这个目的。”爱因斯坦创立的相对论作为一种公理化的演绎体系,他以最少的逻辑上独立的前提构筑起他的理论体系,他的理论一问世,还没有得到经验证实时,就赢得了普朗克等几位著名物理学家极高的赞誉。物理学家狄拉克在评价理论时更是把简单性作为重要标准,甚至有点偏颇地认为,如果物理学方程在数学上不美,那就标志着一种不足,意味着理论有缺陷,需要改进,有时候,数学美要比实验相符更重要。

在科学史上,古希腊时期的欧几里得几何学可称得上是科学体系结构之完美的典范。爱因斯坦曾说:“我们推崇古代希腊是西方科学的摇篮。在那里,世界第一次目睹了一个逻辑体系的奇迹,这个逻辑体系如

此精密地一步一步推进,以致它的每一个命题都是绝对不容置疑的——我这里说的就是欧几里得几何。推理的这种可赞叹的胜利,使人类智慧获得了为取得以后的成功所必需的信心。”科学家们在追求科学理论之精美的过程中也把它变成了一个评价标准。按照英国科学哲学家波普尔的科学证伪原则,所有的科学最终的命运都将是被证伪,那么科学上留下来的一再被科学家所推崇的理论它们的共性又是什么呢?理论所具有结构之美可看作其中最重要的一点。1687年,牛顿发表了他那部划时代的著作《自然哲学的数学原理》,整个理论体系的推演几乎可以看作欧几里得几何学在物理学领域的翻版。《自然哲学的数学原理》从给定的几个概念人手,逐步推演出牛顿力学三大定律和万有引力定律,结构之严谨和完整让人叹为观止。著作刚一出版就引起人们疯狂的追逐,这主要应归功于理论体系自身的完整,而非得到足够的经验事实的验证。甚至时至今日,牛顿理论经过了几百年的发展已经被证伪,但它依然被科学家所称道,同样应功于其理论结构之精美与严谨。

科学理论不同于其它说明形式的特点,在于它有更好的解释力、涵盖更多的经验内容,也就是表现在真理的普遍性。18世纪著名英国美学家哈奇逊说过,“理论有一种不容漠视的美,这就是可以从一个理论容易地推出大量的推论。……当人们研究自然界时,对某些重大原理的认识就具有这种美,从这些原理和力中可以引出无数大推论。”牛顿的公式中的引力、爱因斯坦的广义相对论都具有普遍性的特点。广义相对论将一直以来被科学家认定为无关的观念,时间、空间、物质、运动完全统一在他的理论体系当中,构成了一个完美的理论体系,使我们看到了科学普遍性正是科学理性美的真正体现。正是理论的普遍性作为科学家们内心一种潜在的,也是公认的标准来评价理论,才使广义相对论缺少事实支持的情况下,依然获得了广泛的肯定。

科学家对科学美的信赖与追求并不是科学家的一厢情愿,因为非理性的东西中有一种理性存在,更确切地讲,感情中有一种理智存在,在感情之中主观的东西正是由于它的主观性而表现出是客观的。归根结底,美是真理的一种形式,美的鉴赏是对实在的一种鉴识,即对实在的一种特殊知觉能力。彭加勒坚持认为,唯有真理才是美的,为真理本身的美而追求真理也是合情合理的。爱因斯坦也讲过一段原则性的话:逻辑上简单的东西不一定就是物理上真实的东西,但是物理上真实的东西一定是逻辑上简单的东西,也就是说,它在基础上具有统一性。海森堡、狄拉克也认为美与真必然是统一的。科学家正是对美与真的统一认识,使科学美不置可否地成为科学的鉴定标准之一。

三、科学家应自觉地提高对科学美的鉴赏力

科学发现中的美感给人以启示,古希腊自然哲学家柏拉图曾说,灵魂在美的光芒下畏惧和发抖,因为它感到某些东西被唤来,那是意识没有从外部给予它得,但是已经永久放在了那最无意识的区域里。量子物理学家泡利也认为,实质上,理解过程以及人们在理解中所感到的喜悦,即在开始了解新知识时所感受到的快乐,看来都依赖于一种对应关系,也就是,预先存在的人类内在的表象与外部客体及其行为逐渐达到一致。清除这种说法中的先验因素,我们也许可以说,美的鉴赏是心灵中固有的“图式”与客体和谐一致而引起的强烈共鸣。

科学美客观地存在于人类创造的科学发现之中,它是人类在探索、发现自然规律过程中所创造成果的显现。科学美中蕴含的审美直觉和审美灵感往往成为科学发现、科学分析、科学评价的一种价值尺度。面对“科学艺术品”,有的人会产生一种强烈的美感,而有的人却浑然不知,这就是科学鉴赏力的问题。许多著名科学家都认为,就像文学鉴赏力和艺术鉴赏力一样,也存在一种科学鉴赏力。一个人如果缺乏科学鉴赏力,那就不可能领略到科学美的魅力。对科学美的独到鉴赏力、对特殊科学美的感受也是科学创造性的一个标志,它在科学发现中,往往是有意识地引导科学实践的先导。法国数学家和天文学家拉普拉斯可从牛顿力学中“感受到数学完美性”;英国数学家和哲学家罗素可从欧几里德《几何原本》中“读出音乐般的美妙”;德国生物学家海克尔可从达尔文《物种起源》中“见出生物世界无与伦比的统一之美”,这种特殊的审美感、鉴赏力起着微妙的筛选作用,这就充分地说明,缺少它的人永远不能成为真正的创造者。

人对美的鉴赏力是在实践活动中展开和完善起来的,由于每个人的实践不同,人们会有不同水平的鉴赏力,有不同水平的科学美的鉴赏力。前者取决于人们的艺术素养,而后者取决于人们的科学素养。一个人的科学鉴赏力绝不是先天就有的,而是在长期的科学实践与科学鉴赏活动中逐渐形成和培养起来的。因此,长期从事科学研究的科学家比一般人具有更高的科学鉴赏力。要想在科学王国中见到“那人却在灯火阑珊处”的美景,必然要先经过“独上高楼,望断天涯路”的艰辛经历。

[参考文献]

[1]詹姆斯麦卡里斯特,美与科学革命[M]李为译,长春:吉林人民出版社,2000。

[2]杨振宁,美和和理论物理学[J]自然辩证法通讯,1988(1)。

[3]彭加勒,科学的价值[M]北京:光明日报出版社,1992。

[4]杨振宁,东西方教育文化的差异——兼谈科学美[J]科学学译丛,1991(5)。

[5]爱因斯坦,爱因斯坦文集(第一卷)[M]北京:商务印书馆,1977。

[6]钱德拉萨克,美与科学对美的追求[M]科学与哲学,1980(4)。

[7]张家治,化学史教程(第2版)[M]太原:山西教育出版社,2001。

[8]W.I.贝弗里奇,科学研究的艺术[M]北京:科学出版社,1979。

[9]转引眭平,科学发现的重要动力之一:科学之美[J]科技导报,2003(5)。

责任编辑：张北根

推荐访问:科学 作用 发现