門外美談——科學和藝術的美學比較
◎ 古代的思想家把美與和諧畫上等號
◎ 二十世紀的科學與藝術引入的不對稱和不和諧的量越來越大
◎ “我的工作總是盡力把真和美統一起來，但當我必須在兩者中選一個時，我通常選擇美。”
亞里斯多德說，完美的天上物質構成的天體的運動軌道，必定是完美的曲線。圖為太陽系。
和諧與對稱是緊密地聯系起來的，在米蘭大教堂里，處處體現了“建筑是凝固的音樂”。
在許多人的心目中，科學與藝術是很不相干的，否則為什么從中學起，就有文科和理科的分班呢？可是我有完全不同的看法，我認為在中學就把學生定向到文科或是理科并不是很妥當的做法。
也許有人會爭辯說，科學追求的是嚴、藝術追求的是美，一個是理性的演繹，另一個是靈感的發揮，二者南轅北轍，沒有共通之點的。
其實這真是不幸的誤解。有一位很有點名氣的文藝理論家叫做丹納的說過：
“一個人之所以成為藝術家，是因為他慣于辨別事物的根本性質和特色；別人只見到部分，他卻見到全體，還抓住它的精神。”
如果把這番話中“藝術”兩個字改成“科學”兩個字，誰能不說對于科學這是同樣精辟的論斷呢？可見藝術創作和科學創作是有共性的。有共性的東西就可以拿來比較，比如說科學中的美和藝術中的美，這種比較可以說是科學和藝術的比較美學。
美
什么是美？“美是難以定義的”，研究美學的一位祖宗柏拉圖早就這么嘆息過。科學家也有類似的觀點。狄拉克——本世紀最偉大的物理學家中的一位——也說過：“數學美與藝術美一樣是無法定義的。”不過他又跟著說：“但研究數學的人鑒賞數學美并不會覺得困難。”大哲學家大科學家尚且如此說，作為門外美談就大可不必講究什么美與審美的定義、什么美的主觀性與客觀性等等，只需承認美的存在就可以談下去。
承認了美的存在，還需要有能夠感知它的東西才能談美。這東西大哲學家柏拉圖說是靈魂，大數學家龐加萊說是純理智，靈魂也罷、理智也罷，反正是思維的器官，一牽涉到思維，談美就當然必須限定在一定的歷史時期里才有意義，因為不同歷史時期的人們的思維是大不相同的。
古代的思想家把美與和諧畫上等號。希臘古典時代的大哲學家們認為，美在于和諧，美應當是完美的。自然是美的，自然的規律也是美的，所以亞里斯多德說，完美的天上物質構成的天體的運動軌道，必定是完美的曲線。而最完美的曲線，就是圓，所以所有的天體都是以圓軌道運行的。那位對比例和數字情有獨鐘的哲學家畢達哥拉斯（就是發現直角三角形三條邊的平方之間關系的那一位）進一步認為，整個宇宙就是一種和諧，就是一種數，在數字之間有著能夠產生和諧關系的比例。據說他發現了黃金分割比例，即使在今天，那些殘存下來的，在長、寬、高三個方面的尺寸遵循這種比例建成的希臘神廟，還在現代人的心靈中產生巨大的肅穆感和美的戰栗。
和諧與對稱
千百年來，這些觀點深刻地影響了一代又一代的人。包括現代科學的兩位奠基人哥白尼和開普勒。
哥白尼提出的日心體系理論，帶動了近代科學思想的一場革命。在哥白尼的理論里，不是太陽繞著地球轉，而是地球，還有另外當時知道的五個星體——土星、木星、火星、金星和水星繞著太陽轉。它們的軌道都是圓。按古希臘哲學家的觀點，宇宙應當是和諧的，而和諧的軌道應當是對稱的，具有最大對稱性的運行軌道是圓，這是很自然的。另一位大天文學家開普勒則進一步想從畢達哥拉斯的和諧對稱的原理來確定這六個行星的軌道。他的做法是這樣的：在幾何學中，除了球體之外，有著最大對稱的幾何體是正多面體，自然界存在的正多面體只有五種：正四面體、正六面體、正八面體、正十二面體和正二十面體，對每一種正多面體都可以作一個外接球面和一個內切球面，于是由這五種正多面體可以作出六個這樣的球面，它們是行星的圓軌道所在的球面。定出這些軌道后，又由于和諧的要求，天體在這些圓形軌道上應當作勻速運動，這樣就可以確定這些天體的公轉周期。現代人回過頭來看這種做法真有點匪夷所思，但據說當時計算的結果居然和當時的天文觀察數據相當符合！1596年，開普勒把這些想法和結果寫在一本專著里，題目就叫做《論自然的和諧及相似》。
如果開普勒停留在這種符合上，那也就不會有他日后的重大發現了。幸好他送了一份專著給當時歐洲最負盛名的天文觀測家、丹麥人第谷。第谷讀了論文，極為賞識作者的才華，也給作者一個忠告：“首先要通過實際觀測來為自己的觀點打下堅實的基礎，由此提高，才能深究事物的根由。”幸虧聽從了這個忠告和獲得第谷以畢生的努力累積下來的系統的、極為精確的觀測數據，才使他得以作出科學史上劃時代的三個大發現。頭一個發現是，行星的軌道并不是完美的圓曲線，而是橢圓曲線；第二個發現是行星在軌道上的運行并不是勻速運動。看起來開普勒最后的發現完全偏離了他最初對和諧的（也是簡單的）想象，然而事實上，在他的三大發現導致的牛頓力學的更高的基礎上，這些發現又是如此令人震驚的和諧。
和諧與對稱是緊密地聯系起來的。到過北京故宮的游客，誰不被這組巨大的建筑群的對稱與和諧所震撼呢？在古典的繪畫、雕塑和音樂里，處處體現了對稱與和諧的美。有一年我到米蘭，當第一眼看到米蘭大教堂，就有似曾相識的感覺，我一路參觀一路想，這感覺到底從何而來？等從教堂出來，我想出來了：這就是巴赫偉大的《恰空舞曲》，那里三十二個變奏組成的對稱如此嚴謹，音樂的洪流如此和諧流暢，音樂的形象如此莊嚴雄偉、氣勢磅礴，就如這座教堂一樣，直入云霄，欲與天齊。多年以后我才從一本書里讀到一個論點，說“建筑是凝固的音樂”。說這句話的人相當有道理。
在自然界，對稱現象是一個很常見的現象，對稱性分析能夠把許多問題高度簡化。但是，在這現象的背后有著極為深刻的內涵，它導致本世紀的物理學中一個非常深刻的重大發現，就是對稱性和守恒律的內在聯系，這是一位當時居住在德國的杰出女性艾米·諾特 所發現的。諾特是數學家，1918年，她在《哥廷根學報》上發表了一篇極為深刻、影響深遠的論文，證明了自然界的每一個準確的對稱性，都對應一個守恒律，相應有一個守恒量：如果物理學對于時間原點的選擇是對稱的，即在任何時刻開始計時，都觀測到同樣的物理規律，那么能量是守恒的；如果物理學對于空間坐標的選擇是對稱的，即在任何地點都可以選擇為坐標的原點，那么動量是守恒的；等等。
不過如果只有對稱，那么美術里只剩下圖案，科學里也沒有了許多學科，例如，只剩下完美晶體的物理而沒有表面物理，沒有界面物理，沒有半導體物理，這太遺憾了——現代人怎么能夠想象沒有半導體晶體管，沒有集成電路芯片，沒有移動電話的生活呢？好在自然也好，人也好，在尊重對稱性的同時也容許一點差異的。比如說，人們最先認識到對稱、和諧的美，為了美，甚至可以對通行原則作重大的修改。中國佛寺的山門殿內兩旁塑立的金剛力士，本來按佛經說只有一位，是佛的隨從侍衛的首領，不過為了對稱，就不理會原來典籍是怎樣說的，硬是讓他成了雙。如果限于完全的對稱，美的表達能力會大受限制，所以成了雙的兩尊金剛力士，還要讓他們一個張口，一個閉口，有點不一樣，成為哼哈二將。音樂里的情況也是一樣，完全和諧的樂曲是沒有表現力的。記得“文革”時聽當時來訪的朝鮮歌劇院演出的《賣花姑娘》，頭五分鐘覺得好極了，在神州大地上只剩下語錄歌的時代真是大的享受！再聽下去，便不對頭了，旋律確實很流暢，和聲也很諧美，但是詠嘆調之后還是詠嘆調，永遠陪襯著綿綿纏纏的、甜甜蜜蜜的和聲。再過幾分鐘之后，簡直不能令人忍受，只好把收音機關掉。
不和諧與不對稱
在十九世紀就要結束之前，至少在物理學界，似乎對和諧的追求已經達到極至。英國極負盛名的大科學家開爾文勛爵認為，當時在物理學的天空上除了兩朵小小的烏云之外是一片晴空，當時已知的物理現象都可以歸納到力學、電磁理論、熱力學等高度完美的理論框架里，也許留給后代人解決的物理問題已經不多了。然而正是這小小的兩朵烏云引來二十世紀物理學的巨大變革，導致相對論和量子論兩大理論的建立。然而新的觀念與傳統的觀念難以調和，新的理論并不具有傳統意義下的完美。傳統的完美起碼要符合完整、清晰的概念，但是在新的物理學里情況卻不是這樣：傳統的清晰性被新理論內稟的一種不確定性所代替，而完整性只有在統計和幾率的意義上才能談到。這使得科學上的巨人愛因斯坦——二十世紀一個新生理論相對論的創立者——在最高的層次上對另一新生的理論量子力學進行畢生的質疑，留下也許不見得是正確的名言：“上帝是不擲骰子的。”
在藝術里相應的變革來得稍稍早些，那就是由向對稱與和諧的古典美挑戰的印象派開始的新潮流。不過藝術家們不像物理學家那么走運，最初連每一個走過展覽印象派作品的房子的肉店小伙計都認為有資格揶揄這些畫家一番。在音樂領域中，印象派音樂的遭遇比較起來就要好得多，雖然在結構和主題發展的原則上偏離了傳統，但是它的始創者德彪西的和聲與旋律的巨大天才很快就征服了傳統的聽眾，使他們領略到這個流派帶來的未曾感受過的美。往后在斯特拉文斯基作曲的芭蕾舞劇的首演上，怪異的旋律、不協的和聲以及耳朵不習慣的配器，引來喝倒采的喊叫聲和口哨聲響成一片，贊成的和反對的觀眾當場毆打起來，臺上的舞蹈演員根本聽不到樂隊在演奏什么。然而現在回過頭看，莫奈、雷諾阿、德加、德彪西、斯特拉文斯基的作品都已經成為新的“古典”，如果就從一個新的角度描寫了本來在自然就存在的現實來說，和諧與不和諧、對稱與不對稱，本來都是客觀存在的，何況最初時的不對稱與不和諧是作為小量引入對稱與和諧之中的，當年引起的騷亂和大驚小怪倒是有點難以理解了。
二十世紀的科學與藝術經歷了令人目眩的發展，從美的角度來看，特點是遠離了古典的對稱與和諧，用科學的術語來說，引入的不對稱和不和諧的量越來越大。1957年，兩位居住在美國的華裔物理學家李政道和楊振寧提出一個理論說，并不是所有的對稱性都被自然尊重的，例如，大自然有時并不尊重左和右的對稱性。他們的理論引起軒然大波，許多大物理學家不相信，諾貝爾獎得主泡利說，他不相信上帝是個左撇子！然而華裔大物理學家吳健雄精密的實驗證明他是錯的，上帝有時是個百分之百的左撇子。在李和楊提出的理論里，左和右甚至是百分之百的不對稱的！于是，在物理學中開始了一個研究對稱性被破壞的新浪潮。研究的結果使得科學家對于自然中對稱性的深刻的內涵又有了進一步的了解：對稱性確定物體的運動方程，而對稱性的破缺決定物體之間的相互作用。在這個基礎上，一些物理學的基本理論——電磁現象和弱作用現象的理論，廣義相對論——顯示出空前的、驚人的美。
在藝術領域，即便經歷過從莫奈到高更的沖擊，但是康定斯基、畢加索、夏加爾的作品還是使人們感到不知所措，不知道是藝術家瘋了還是自己跟不上瘋狂發展的二十世紀。這種惶惑不只是觀眾才有，藝術家也有，畫家如畢加索不斷在改變自己的風格，作曲家如勛伯格和斯特拉文斯基不斷推出半音階音樂、無調性、十二音體系、多調性等等，正是在變化的急流中杰出的天才們狂熱求索的記錄。
探索與美
在科學領域里，人們越來越多地聽到了大爆炸、混沌、大爆發等等新的詞句。直到不久前，討論宇宙的起源和大小似乎還只是哲學家的專利，但是在二十世紀三十年代，出現了宇宙起源的大爆炸理論，而到了六十年代，科學家直接得到支持大爆炸理論的觀察證據。為了說明所有目前累積起來的天文觀察數據，看起來大爆炸說是最合理的。我們的宇宙在時間和空間上都不是永恒的。澄明的夜空給予人們宇宙的寧靜感是一個錯覺，宇宙本身就是從大混亂中誕生，也可能最終走向一個大混亂的結局。雖然這個理論從根本上背離從古典時期到浪漫主義時期關于宇宙是最完美的藝術作品的概念，要接受它有一定的難度，但這畢竟是客觀實在。二十世紀物理學大師勞厄說過一番話，對于如何看待物理學中美的觀念的發展和變遷是很有見地的。他說：
“物理學從來不具有一種對一切時代都是完美的、完滿的形式；而且它也不可能具有完美的、完滿的形式，因為它的內容的有限性總是和觀察量的無限豐富的多樣性相對立的。”
如果把勞厄話中“物理學”這個詞兒改成“藝術”，把“觀察量”這個詞兒改成“藝術對象”，于是他的話變成：
“藝術從來不具有一種對一切時代都是完美的、完滿的形式；而且它也不可能具有完美的、完滿的形式，因為它的內容的有限性總是和藝術對象的無限豐富的多樣性相對立的。”
這番話對于如何看待藝術中美的觀念不是同樣很有見地的嗎？
是不是一切新的探索最終都歸結到美呢？不一定。在藝術上如此，在科學上也如此。在科學上一切探索都最終要經受實驗的考驗，而在藝術上則是時間的考驗。如果它們確是被挖掘到的世界的一個新的方面，那它們是美的。美不能先驗地規定，就像畢達哥拉斯和開普勒那樣。大師也會犯錯誤的，有時還是大錯誤。二十世紀的一位數學大師外爾說過：
“我的工作總是盡力把真和美統一起來，但當我必須在兩者中選一個時，我通常選擇美。”
正是他關于美的先驗的標準使他相信左和右在宇宙里是對稱的，從而揚棄了他發現的一個重要理論——中微子的兩分量理論，在這個理論中左和右是完全不對稱的。然而上面提到的李政道和楊振寧的工作證明，這個被發現者揚棄的理論其實是正確的。外爾的觀點在科學界是很典型的，他的朋友愛因斯坦也是一樣，愛因斯坦認為，美是探求理論物理學中重要結果的一個指導原則。不過，在平衡美學的追求與科學的探索時，我想，當年第谷對開普勒的忠告是非常值得記取的。
在回顧剛剛過去的二十世紀時，人類有理由為文明在這一百年里的突飛猛進感到自豪，但是也應當充分地認識到一個事實，就是我們解決的問題遠沒有我們發現的問題多，我們馳騁過的領域遠沒有我們未曾涉足的領域大，這就是今后藝術和科學繼續發展的根據，也是今后人們美學觀要繼續發展的道理。也許科學和藝術在這一點上有很大的差異，那就是，重大的藝術成就總是給人們帶來慰藉，而重大的科學成就則并非必定如此。無怪乎在深入研究宇宙的起源之后，對于眼前的世界，諾貝爾獎得主溫伯格這樣寫道：
“很難理解這只不過是一個充滿敵意的宇宙中的一小部分，更無法想象到現在的宇宙是從一個難以言傳的陌生的早期狀態演化而來，而又面臨著無限冰冷的，或是熾熱難耐的末日。宇宙越可理解，也就越索然無味。”
不過從美的觀點來看，怡人的美和悲愴的美同樣動人，同樣有追求的價值。
（作者系理論物理學家、同步輻射應用專家、中國科學院院士）
（編輯：孫育田）