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科学之美与艺术之美

2017-08-11 14:20 来源:网络整理编辑:admin

  美在科学与艺术中有何异同?著名科学家、诺贝尔物理学奖得主杨振宁先生应邀到中国美术馆为听众作了一场主题演讲。他深入浅出、视野开阔,颇具“跨界”色彩。特别是在与听众交流的过程中,杨振宁先生的许多观点,如对少年儿童教育的看法很有启发性。

科学之美与艺术之美

  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。

  (一)

  大家都知道,艺术与美有密切的关系。但也许有很多人觉得,科学跟美没有什么关系。所以我现在就用几分钟的时间先给大家阐释一下科学里为什么有美。

  我是研究物理学的。物理学的发展要经过四个阶段。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而且有很特别的规律:虹是42度的圆弧,红色在外边,紫色在里边;霓是大一点的弧,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。

科学之美与艺术之美

小犀牛形青铜器(现存旧金山博物馆)

   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。

  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。为什么说这些方程式有威力呢?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,世界上的一切都浓缩在“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。


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