启动仪式特别报道
生活,因科学而美
作者:中国科学院地质与地球物理研究所研究员 徐文耀 访问量: 20

为了能对美的认识有深度,必须要知道什么是美,美在何处,美的神韵和追求美的苦乐何在。只有了解了美的科学内涵,才能对美的体会更上一层楼。

倪伟波/ 摄

人生的要旨在于追求美:美好的生活、美好的心灵、美好的社会、美好的未来……

然而,对美的理解因人而异,层次有别。为了使我们对美的认识有深度,上档次,够品位,富理性,我们必须知道:什么是美?美在何处?美的神韵和追求美的苦乐何在?如果能从理论的层面理解美的科学内涵,那你对美的体会就会更上一层楼。

什么是美

在哲学家眼里,美是和谐。伦理学家则认为,美是真与善的表述。而科学家会告诉你,美是自然现象的固有属性。

古希腊哲学家毕达哥拉斯曾说过,美就是和谐,整个宇宙是一种和谐,宇宙的和谐是由数组成的,因而数构成了整个宇宙的美。他把数和美联系了起来。马克思也说过,一种科学只有在成功地运用数学时,才算达到了真正完善的地步。

可见,科学与美紧密相连。

我们赞美大好河山,喜欢万物峥嵘,欣赏音乐绘画,我们更想进一步知道,为什么秀丽山水让人流连忘返?为什么大千世界让人浮想联翩?为什么轻歌曼舞使人心旷神怡?为什么艺术作品使人心灵震撼?

统一之美才是所有科学理论追求的最高目标、最佳境界。对统一美的追求,激励着一代又一代的科学家,孜孜不倦,前赴后继,他们试图用最少的要素解释最多的现象。

那是因为它们有一个共同的灵魂——美。美无处不在,美在自然中,美在生活中,美在知识中,美在科学中。

科学美有何用?

科学,用美装饰生活。在我们的日常生活中,到处都可以看到最美的几何图形——圆和球。闹钟、硬币、贴画、天坛圜丘、福建土楼……它简单朴素,匀称对称,美无瑕疵。

科学,用美深化生活。你会想到万有引力公式有装饰品这一功能吗?在北京前门外瓷器口的过街天桥上,F = Gm1m2/r2 这一放之四海而皆准的公式竟成为天桥的装饰品。

科学,用美启迪思维。现在我们都知道地球是圆的,但在远古时代,人们单凭生活在地面上的感觉,以为天圆地方。第一个想到地球是圆的这个人是受到了一种什么样的启发?他的科学智慧火花从哪里来的呢?是美学。

很早以前古希腊有一位哲学家,他认为万能的上帝一定会创造一个最美的地球给我们,而圆形正是最美的图形,所以几千年前人们就想到地球是圆的。

科学,还让我们的生活浪漫高雅。还记得电视上播放的“百岁山矿泉水”的广告吗?也许很多人并没有明白广告的真实故事。其实广告上老人的原型正是著名数学家笛卡尔,他有一位女学生是瑞典公主克里斯汀,后来他们相爱了。国王知道这件事以后,下令扣押笛卡尔写给公主的所有信件。

最后,笛卡尔给公主写了一封信,信中只有一个方程式:ρ=1-sinθ。国王看不懂,以为他们在讨论数学。于是就把这封信给了女儿。拿到信的克里斯汀欣喜若狂,她立刻明白了恋人的意图,找来纸和笔,着手把方程图形画了出来,一颗心型图案出现在眼前,克里斯汀不禁流下了感动的泪水。这条曲线就是著名的“心形线”。

我国著名数学家华罗庚曾说过:“就数学本身而言,是壮丽多彩,千姿百态,引人入胜的。”然而对于大
多数人来说,数学是复杂抽象、让人害怕的,就连数学家都让人感到不食人间烟火。

真是如此吗?其实不然,数学是最美的。因为数学来源于生活,生活是美好的,数学怎能不美好呢?如果数学不美,古希腊数学家阿基米德怎会在面对罗马士兵的长矛时大喊“不要动我的几何图形”呢?

就连科学家的墓碑都在教化人,充满着深刻的美。阿基米德死后,他的墓碑上刻着一个“圆柱容球”的几何图形,即圆柱容器里放了一个球,该球顶天立地,四周碰边。在该图形中,球的体积是圆柱体积的2/3,并且球的表面积也正好是圆柱表面积的2/3,这是阿基米德最喜欢的一个数学发现。

古希腊数学家丢番图,他的墓碑就是一道数学题,或者说是一则谜语:坟中安葬着丢番图。上帝给他的童年占一生的六分之一,又过了十二分之一,两颊长胡,再过七分之一,点燃起结婚的蜡烛。五年之后天赐贵子,可怜迟来的儿子,享年仅及其父之半,便进入冰冷的墓。悲伤只有用数论的研究去弥补,又过了四年,他也走完了人生的旅途。终于告别数学,离开了人世。

谁说数学家没有情趣?谁说数学家不懂得美?他们对美的理解比我们常人要深刻得多,他们对美的追求更远远超越我们俗人。

领略科学美之神韵

科学美有许多特征。其中最重要的特征之一是简单之美。霍金曾在《时间简史》中这样说过:“科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。”

没有哪一个方程或定律能有牛顿第二运动定律那样简单:F=ma,仅用三个量就将经典力学的基本运动规律表述得既简单又完美。这个公式控制着宇宙空间中所有宏观物体的运动,可谓形美义深。

对称之美是科学美的另一个重要特点。空间镜像对称性是中国人用得最多的对称性。比如天坛就体现出空间镜像对称性;而对数螺线体现出空间标度对称性;基因双螺旋结构、真空中的麦克斯韦电磁方程则体现出了空间转动对称性;时间平移对称性和反演对称性使我们对过程有了更加深刻的认识。事实上,物理学中的种种守恒定律都植根于一定的对称性。

介质中的麦克斯韦电磁方程位列“极其优美的十大数理方程”之首,这一方程组完美地统一了整个电磁场。任何一个能把这几个公式看懂的人,一定会感慨:“这个方程怎么会如此对称,如此完美?”

维纳斯的雕像、蒙娜丽莎、巴特农神庙这些艺术家眼中的精品则符合了科学中的匀称之美。维纳斯之所以美,正是因为它体现了数学中的黄金数0.618;巴特农神庙的宽和高的比也符合0.618;就连蒙娜丽莎的主要器官都处在一条对数螺线上。

凌乱美也是科学美的特点之一。地磁场倒转的曲线看似凌乱无规,但是将它画在另一个坐标上时则变成了漂亮的“蝴蝶”。凌乱表象背后的规律性只有在深入的科学研究之后才会呈现出来。酒徒的醉步是“凌乱”的,“无规”的,然而,它恰恰与布朗运动相似,这些“凌乱”现象的背后潜藏着深刻的规律。爱因斯坦对此研究的成果对热力学和统计力学产生了重大贡献。

凌乱美推动了数学统计理论、混沌理论等相关理论的发展。“蝴蝶效应”大家并不陌生。上个世纪70 年代,美国一个名叫洛伦兹的气象学家在解释空气系统理论时说,亚马逊雨林一只蝴蝶翅膀偶尔振动,也许两周后就会引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。很微小的变化经过不断的放大,最后变成巨大的灾害,这正是混沌理论的核心思想。

可以说,统一之美才是所有科学理论追求的最高目标、最佳境界。对统一美的追求,激励着一代又一代的科学家,孜孜不倦,前赴后继,他们试图用最少的要素解释最多的现象。