人生的要旨在于追求美:美好的生活、美好的心靈、美好的社會(huì)、美好的未來……
然而,對(duì)美的理解因人而異,層次有別。為了使我們對(duì)美的認(rèn)識(shí)有深度,上檔次,夠品位,富理性,我們必須知道:什么是美?美在何處?美的神韻和追求美的苦樂何在?如果能從理論的層面理解美的科學(xué)內(nèi)涵,那你對(duì)美的體會(huì)就會(huì)更上一層樓。
什么是美
在哲學(xué)家眼里,美是和諧。倫理學(xué)家則認(rèn)為,美是真與善的表述。而科學(xué)家會(huì)告訴你,美是自然現(xiàn)象的固有屬性。
古希臘哲學(xué)家畢達(dá)哥拉斯曾說過,美就是和諧,整個(gè)宇宙是一種和諧,宇宙的和諧是由數(shù)組成的,因而數(shù)構(gòu)成了整個(gè)宇宙的美。他把數(shù)和美聯(lián)系了起來。馬克思也說過,一種科學(xué)只有在成功地運(yùn)用數(shù)學(xué)時(shí),才算達(dá)到了真正完善的地步。
可見,科學(xué)與美緊密相連。
我們贊美大好河山,喜歡萬物崢嶸,欣賞音樂繪畫,我們更想進(jìn)一步知道,為什么秀麗山水讓人流連忘返?為什么大千世界讓人浮想聯(lián)翩?為什么輕歌曼舞使人心曠神怡?為什么藝術(shù)作品使人心靈震撼?
那是因?yàn)樗鼈冇幸粋€(gè)共同的靈魂——美。美無處不在,美在自然中,美在生活中,美在知識(shí)中,美在科學(xué)中。
科學(xué)美有何用?
科學(xué),用美裝飾生活。在我們的日常生活中,到處都可以看到最美的幾何圖形——圓和球。鬧鐘、硬幣、貼畫、天壇圜丘、福建土樓……它簡(jiǎn)單樸素,勻稱對(duì)稱,美無瑕疵。
科學(xué),用美深化生活。你會(huì)想到萬有引力公式有裝飾品這一功能嗎?在北京前門外瓷器口的過街天橋上,F(xiàn)=Gm1m2/r2這一放之四海而皆準(zhǔn)的公式竟成為天橋的裝飾品。
科學(xué),用美啟迪思維�,F(xiàn)在我們都知道地球是圓的,但在遠(yuǎn)古時(shí)代,人們單憑生活在地面上的感覺,以為天圓地方。第一個(gè)想到地球是圓的這個(gè)人是受到了一種什么樣的啟發(fā)?他的科學(xué)智慧火花從哪里來的呢?是美學(xué)。
很早以前古希臘有一位哲學(xué)家,他認(rèn)為萬能的上帝一定會(huì)創(chuàng)造一個(gè)最美的地球給我們,而圓形正是最美的圖形,所以幾千年前人們就想到地球是圓的。
科學(xué),還讓我們的生活浪漫高雅。還記得電視上播放的“百歲山礦泉水”的廣告嗎?也許很多人并沒有明白廣告的真實(shí)故事。其實(shí)廣告上老人的原型正是著名數(shù)學(xué)家笛卡爾,他有一位女學(xué)生是瑞典公主克里斯汀,后來他們相愛了。國(guó)王知道這件事以后,下令扣押笛卡爾寫給公主的所有信件。
最后,笛卡爾給公主寫了一封信,信中只有一個(gè)方程式:ρ=1-sinθ。國(guó)王看不懂,以為他們?cè)谟懻摂?shù)學(xué)。于是就把這封信給了女兒。拿到信的克里斯汀欣喜若狂,她立刻明白了戀人的意圖,找來紙和筆,著手把方程圖形畫了出來,一顆心型圖案出現(xiàn)在眼前,克里斯汀不禁流下了感動(dòng)的淚水。這條曲線就是著名的“心形線”。
我國(guó)著名數(shù)學(xué)家華羅庚曾說過:“就數(shù)學(xué)本身而言,是壯麗多彩,千姿百態(tài),引人入勝的。”然而對(duì)于大多數(shù)人來說,數(shù)學(xué)是復(fù)雜抽象、讓人害怕的,就連數(shù)學(xué)家都讓人感到不食人間煙火。
真是如此嗎?其實(shí)不然,數(shù)學(xué)是最美的。因?yàn)閿?shù)學(xué)來源于生活,生活是美好的,數(shù)學(xué)怎能不美好呢?如果數(shù)學(xué)不美,古希臘數(shù)學(xué)家阿基米德怎會(huì)在面對(duì)羅馬士兵的長(zhǎng)矛時(shí)大喊“不要?jiǎng)游业膸缀螆D形”呢?
就連科學(xué)家的墓碑都在教化人,充滿著深刻的美。阿基米德死后,他的墓碑上刻著一個(gè)“圓柱容球”的幾何圖形,即圓柱容器里放了一個(gè)球,該球頂天立地,四周碰邊。在該圖形中,球的體積是圓柱體積的2/3,并且球的表面積也正好是圓柱表面積的2/3,這是阿基米德最喜歡的一個(gè)數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn)。
古希臘數(shù)學(xué)家丟番圖,他的墓碑就是一道數(shù)學(xué)題,或者說是一則謎語:墳中安葬著丟番圖。上帝給他的童年占一生的六分之一,又過了十二分之一,兩頰長(zhǎng)胡,再過七分之一,點(diǎn)燃起結(jié)婚的蠟燭。五年之后天賜貴子,可憐遲來的兒子,享年僅及其父之半,便進(jìn)入冰冷的墓。悲傷只有用數(shù)論的研究去彌補(bǔ),又過了四年,他也走完了人生的旅途。終于告別數(shù)學(xué),離開了人世。
誰說數(shù)學(xué)家沒有情趣?誰說數(shù)學(xué)家不懂得美?他們對(duì)美的理解比我們常人要深刻得多,他們對(duì)美的追求更遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越我們俗人。
領(lǐng)略科學(xué)美之神韻
科學(xué)美有許多特征。其中最重要的特征之一是簡(jiǎn)單之美�;艚鹪凇稌r(shí)間簡(jiǎn)史》中這樣說過:“科學(xué)的終極目的在于提供一個(gè)簡(jiǎn)單的理論去描述整個(gè)宇宙。”
沒有哪一個(gè)方程或定律能有牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律那樣簡(jiǎn)單:F=ma,僅用三個(gè)量就將經(jīng)典力學(xué)的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律表述得既簡(jiǎn)單又完美。這個(gè)公式控制著宇宙空間中所有宏觀物體的運(yùn)動(dòng),可謂形美義深。
對(duì)稱之美是科學(xué)美的另一個(gè)重要特點(diǎn)。空間鏡像對(duì)稱性是中國(guó)人用得最多的對(duì)稱性。比如天壇就體現(xiàn)出空間鏡像對(duì)稱性;而對(duì)數(shù)螺線體現(xiàn)出空間標(biāo)度對(duì)稱性;基因雙螺旋結(jié)構(gòu)、真空中的麥克斯韋電磁方程則體現(xiàn)出了空間轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱性;時(shí)間平移對(duì)稱性和反演對(duì)稱性使我們對(duì)過程有了更加深刻的認(rèn)識(shí)。事實(shí)上,物理學(xué)中的種種守恒定律都植根于一定的對(duì)稱性。
介質(zhì)中的麥克斯韋電磁方程位列“極其優(yōu)美的十大數(shù)理方程”之首,這一方程組完美地統(tǒng)一了整個(gè)電磁場(chǎng)。任何一個(gè)能把這幾個(gè)公式看懂的人,一定會(huì)感慨:“這個(gè)方程怎么會(huì)如此對(duì)稱,如此完美?”
維納斯的雕像、蒙娜麗莎、巴特農(nóng)神廟這些藝術(shù)家眼中的精品則符合了科學(xué)中的勻稱之美。維納斯之所以美,正是因?yàn)樗w現(xiàn)了數(shù)學(xué)中的黃金數(shù)0.618;巴特農(nóng)神廟的寬和高的比也符合0.618;就連蒙娜麗莎的主要器官都處在一條對(duì)數(shù)螺線上。
凌亂美也是科學(xué)美的特點(diǎn)之一。地磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)的曲線看似凌亂無規(guī),但是將它畫在另一個(gè)坐標(biāo)上時(shí)則變成了漂亮的“蝴蝶”。凌亂表象背后的規(guī)律性只有在深入的科學(xué)研究之后才會(huì)呈現(xiàn)出來。酒徒的醉步是“凌亂”的,“無規(guī)”的,然而,它恰恰與布朗運(yùn)動(dòng)相似,這些“凌亂”現(xiàn)象的背后潛藏著深刻的規(guī)律。愛因斯坦對(duì)此研究的成果對(duì)熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)產(chǎn)生了重大貢獻(xiàn)。
凌亂美推動(dòng)了數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)理論、混沌理論等相關(guān)理論的發(fā)展。“蝴蝶效應(yīng)”大家并不陌生。上個(gè)世紀(jì)70年代,美國(guó)一個(gè)名叫洛倫茲的氣象學(xué)家在解釋空氣系統(tǒng)理論時(shí)說,亞馬遜雨林一只蝴蝶翅膀偶爾振動(dòng),也許兩周后就會(huì)引起美國(guó)得克薩斯州的一場(chǎng)龍卷風(fēng)。很微小的變化經(jīng)過不斷的放大,最后變成巨大的災(zāi)害,這正是混沌理論的核心思想。
可以說,統(tǒng)一之美才是所有科學(xué)理論追求的最高目標(biāo)、最佳境界。對(duì)統(tǒng)一美的追求,激勵(lì)著一代又一代的科學(xué)家,孜孜不倦,前赴后繼,他們?cè)噲D用最少的要素解釋最多的現(xiàn)象。■
(作者系中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員)