美學在科學領域中的作用

迄今為止人們關注得更多的是科學技術對于美學、藝術的意義和影響；相對而言，美學、藝術對于科學技術的作用，人們似乎還著意不夠。

一般說來，美學是指研究人對現實的審美活動（特別是藝術活動）及其審美關系的特征和規律的科學。科學是人類的認識活動，“它的特性可以描繪為一種探究的過程，一種對真理的探索”(注1)，“科學的任務是揭示事物發展的客觀規律，探求客觀真理，作為人們改造世界的指南”(注2)。在這個意義上，科學又有廣義和狹義之分：廣義的科學泛指人類所有的認識活動，包括對自然、社會和思維現象的特征和規律的認識，從這個角度講，美學也是一種科學活動，它主要隸屬于與自然科學和社會科學并列的人文科學；狹義的科學則特指自然科學，特指人類對于自然界的客觀規律的探索和認識，這就是我們日常慣用的并列詞組“科學技術”中的“科學”的基本涵義。從這個角度講，美學與科學是人類兩種不同的認識活動，或者說是人類兩種不同的認識世界方式。前者著重求美，以及探討求美的規律；后者著重求真，以及探索求真的規律。同時科學是人類系統化、理論化的知識體系，即科學體系。并不是人類所有的認識和知識都可以稱為科學。科學是“一個將人類積累的和接受的知識（不論是發現的一般真理，還是掌握的一般規律）進行系統化和條理化的領域”(注3)，它是“一種應用著一般的定律或原理的有組織的或系統化的知識體”(注4)。卡西爾稱“科學是人的智力發展中的最后一步……它是一種只有在特殊條件下才可能得到發展的非常晚而又非常精致的成果”(注5)，這些都是從人類知識的理論品格和水準來界定科學。一門學科進入到體系化的成熟的階段方可稱為科學，從這個角度講，美學已經從非科學的形態發展成為一門科學。此外，科學還有方法論的含義，即著重指以“客觀和公正”為基本精神，以“對事實進行觀察和分類，特別是運用假設和推理建立起可以驗證的一般法則”(注6)為主要特征的研究方法，即科學方法。托馬斯·門羅所謂“走向科學的美學”，著重的是這一層面的含義。因此，所謂自下而上的實證性美學可以稱之為“科學美學”（這與著重研究科學領域的審美現象和審美規律的“科學美學”為不同概念，前者的“科學”著重于研究方法，后者的“科學”著重于研究的對象與領域）。

本文所謂科學即指自然科學。美學和自然科學雖然一則側重于藝術和形象的領域，一則側重于自然和抽象的領域；一則著意于求美，一則著意于探真；一則以其情感的魅力取勝，一則以其理性的智慧見長，但兩者在理論旨趣、研究對象、思維方式及應用實踐等方面都有相似或相通之處。

要之，美學和自然科學都是“自由的”活動，美學中關于美的本質的爭辯與數學中的哥德巴赫猜想有異曲同工之妙。

美學和自然科學都有著密切的內在關系。在我看來，美學在科學領域中的作用主要可以歸納為兩個方面：一是美學對于科學研究的“以美啟真”作用，包括動機作用和方法作用；二是美學對于科學應用的“以美促善”作用，包括微觀領域技術產品的宜人化和宏觀領域人與自然、人與社會關系的和諧化。現具體論證如下：

一、科學研究中的美學動機

科學領域的審美現象，最為明顯的有兩類，一是科學研究對象的自然之美，如自然大千世界的奇麗多彩，宇宙內在秩序的簡，單、和諧、統一；二是科學研究成果的表達之美，如超弦理論所追求的最大的和諧，最大的圓滿、最大的自洽，以及科學界歷來崇尚的簡潔性和數學公式的完美。對這兩種美的追求往往成為許多科學家從事科學探索和研究的直接動機和永恒動力。科學創造需要付出極其艱苦而持久的努力，人們往往只注意其求善的動機因素而忽視了求美的動機作用，其實后者是非常重要的。法國著名數學家彭加勒有這樣一段膾炙人口的名言：

科學家并不是因為大自然有用才去研究它，他研究大自然是因為他感到樂趣，而他對大自然感到樂趣是因為它的美麗。如果大自然不美，那它就不值得認識，如果大自然不值得認識，就不值得活下去……理性的美對自身來說是充分的。與其說是為了人類美好的未來，倒不如說，或許是為了理解，為了理性美本身，科學家才獻身于漫長和艱苦的勞動。(注7)

自古希臘畢達哥拉斯以來，無數杰出的科學家對宇宙的和諧之美有著近乎宗教信仰般的崇拜，他們為這種美所迷醉，所吸引，以至樂而忘憂，廢寢忘食，嘔心瀝血地去探索宇宙之奧秘。愛因斯坦把這稱之為“宇宙宗教感情”。無論是自然界現象的奇麗多彩，還是自然界結構的和諧有序都能激發科學家們探索的欲望，形成其持久的創造動力，激活其天才的創造性思維，終至獲得科學的成就。如我國明代地理學家徐霞客出于對祖國壯麗奇秀河山的愛好而遍走神州，寫下地理科學史冊《徐霞客游記》；英國著名科學家達爾文更是因其對自然美的神奇的興趣而放棄上神學院的機會，通過環球航行和長時期考察研究發現了生物進化規律，創立了被譽為十九世紀三大發明之一的進化論。再如德國天文學家開普勒因欣賞哥白尼體系之美，迷醉于天體運行的簡單和諧而發現著名的行星運動三大定律，德國物理學家海森堡因震驚于自然界內部數學結構之美而創立量子力學矩陣理論，這種例子不勝枚舉。他們的共同特征是出于對科學研究的對象美的追求而終至發現真的規律。

前蘇聯科學家亞歷山大德羅夫曾說道：

大概所有認真從事科學，尤其是從事數學的人的經驗說明，認識標準離不開審美標準，離不開在那些最終被認識的新規律性所突然表現出來的美的面前流露出來的狂喜。(注8)

審美標準在科學認識中具有積極的意義。一項科學理論能否成立或能否為人們所接受，不但要看它是否滿足真的要求，而且要看它是否擁有美的形式，符合美的規律。在許多科學家看來，后者甚至比前者更加重要。于是，追求科學理論的美的表達，也就成了科學創造的重要動機，而且事實上對科學理論美的追求，導致了許多科學真理的發現。這就是科學研究中的“臻美”原理。

例如，在天文學領域，哥白尼批評和修正托勒密地心說建立了日心說體系，其重要的理論動機是出于對科學理論簡潔美的追求，不滿意托勒密體系的過分繁瑣。開普勒先以“難于相信的歡樂心情去欣賞它的美”，繼而又本著同樣的科學美學動機，進一步簡化哥白尼體系，揭示了著名的行星運動三大定律。在化學領域，門捷列夫本著科學研究應在多樣性中尋求統一性，并實現完美性表達的科學美學信仰，制訂了著名的元素周期表，當實驗測定的個別元素如玻的原子量的“真”與元素周期表的完美性發生沖突時，他從維護周期表的完美性出發，大膽地對玻元素的原子量作了修正，后來更精確的實驗證明他的修正是對的。而且這個美妙的周期表的建立啟發后來的化學科學家發現了許多新元素。在物理學領域，韋爾在建立引力規范理論時，這個理論并不符合當時“真”的標準，只是因為這個理論很美，才使他不愿意放棄；多年之后，規范不變形式被引進量子電動力學時，他這個引力規范理論就變得正確了，他在中微子兩分量相對論被動方程的研究中也遇到了同樣情景。無獨有偶，狄拉克在提出相對性電子波動方程時同樣遇到了“真”的挑戰，當時物理學界所知正負電荷粒子之間并不符合狄拉克方程要求的對稱性，但狄拉克本人和不少物理學家不愿意因此而放棄這個方程，因為它太美了。幾年后美國物理學家安德孫在宇宙線中發現了正電子，使得狄拉克方程的數學形式美變成了物理世界的真。回顧研究動機時狄拉克表示“這個工作完全得自于對美妙數學的探索”，他認為：

一個方程的美比之它能擬合實驗更加重要……因為（對實驗的）偏離可能是由于一些未被注意到的次要因素造成的……似乎可以這樣說，誰只要依照追求方程美的觀點去工作，誰只要具有良好的直覺，誰就確定地走在了前進的路上。(注9)

這段話在科學研究中具有普遍意義，從畢達哥拉斯、哥白尼直到彭加勒、韋爾、海森堡、狄拉克無不有這樣的信仰：不但美的必定是真的，而且美比真更本質；因而在美和真兩者的暫時沖突中必須挑選一個時，他們寧愿挑選美。科學史實表明，他們往往是正確的。科學研究中這種“臻美”動機有其本體論的基礎和方法論的意義。真正的美，就其本質來說，應該是客觀世界的某種本質、規律的典范的存在方式，唯其是反映了本質、規律，故真；又唯其反映的方式是典范的，故美。故美的必定是真的，美是真的充分條件。而在一定歷史條件下由實驗手段證明的“真”，卻往往具有時代局限性，它不具備絕對真理性，暫時的、局部的“真”常常可能被更進步的實驗條件和認識能力推翻。因此科學理論的形式美有可能包含比局部實驗更普遍更本質的東西，科學家對科學理論表述美的追求有助于他們超越時代的局限，對科學真理進行超前的直感與把握。這就是科學研究中美學動機的科學價值。顯然，科學家的美學和藝術修養，對于激活他們的審美需要和美學興趣，提高對審美現象的敏感和對形式美及其它美的規律的把握，具有十分積極的意義。

二、科學研究中的美學方法

習慣上認為，科學研究靠的是理性思維，也即抽象（邏輯）思維，其實，科學史上許多例子表明，形象思維和靈感思維同樣在科學研究中起著重要的作用，因此，可以稱此為科學研究中的美學方法。

已故著名學者郭沫若曾于逝世前夕在全國科技大會上向科技工作者殷切寄語：不要讓詩人把想象力的翅膀獨占了，科學研究同樣需要豐富的想象。物質波動說的創始人布洛伊這樣說：

想象力讓我們立刻以能顯示出某些細節的直觀圖象的形式想象到物理世界的一部分，直覺以某種與艱難的三段論法毫無共同之處的、沒有現實深度的內在頓悟的形式暴露給我們。想象力和直覺是智力本身固有的條件；它們過去和現在每天都在科學創造中起著重要作用。

他還指出：

就其方法來看，當那些擺脫了舊式推理的沉重枷鎖的能力（人們把它們叫想象、直覺和靈感）表現出來的時候，科學只有用危險的、突然的智力跳躍的方法才能取得比較重大的成果。(注10)

下面的幾個例子也許是眾所周知的：

1865年的一個夜晚，德國化學家凱庫勒在家里靠著熊熊爐火，苦苦思索如何攻克芳香化合物分子結構的難題，在睡意朦朧中他恍惚覺得苯的原子排著隊在他眼前跳起舞來，開始是一字長蛇陣，接著形成了一個圓圈并不住地旋轉起來。凱庫勒在驚喜中一下子清醒過來，從打圓圈的原子蛇舞中得到啟發，想出了一個用六角形環狀結構表示苯分子的式子，這個分子結構式奠定了芳香化學的基礎。

1910年的一天，德國一個地質學家臥病在床，閑看著墻上的世界地圖解悶。偶然注意到南美洲巴西突出部分正好能與非洲喀麥隆海岸凹陷部分相吻合。一個科學美感直覺一下子掠過他的腦際：是不是南大西洋兩岸的地形原來就是合二為一的呢？經過進一步的嚴密的科學考察，他證實了自己的美感直覺，提出了著名的“大陸飄移說”。

1953年初，美國生化學家華生與克里克合作，劃時代地設計出一個DNA分子模型，這個模型出色地說明了遺傳物質遺傳、生化和結構方面的主要特征，絕妙地揭示了生物世界的多樣性與統一性。這項被譽為可與達爾文進化論相媲美的科學成就很大程度也正得力于科學家的美學想象。這個模型最美妙處在于它是個雙螺旋，兩個糖磷骨架就象是一個兩邊有扶手而沿著同一垂直軸盤旋的樓梯。

上述例子表明，在科學研究中藝術想象、美感直覺等是如何地激活著科學家的創造性靈感，啟發他們獲得劃時代的科學發現。事實上，這些創造性品質和能力，正得力于美學和藝術的修養。如前述幾位科學家都有良好的造型藝術素養，而凱庫勒本身就是從建筑業改行從事化學研究的，建筑藝術中的空間想象和形式美感，無疑對他的科學創造有著極大的助益。因此，愛因斯坦稱科學思維中總有詩意的成分在，海森堡稱“詩歌世界與一切真正偉大的自然科學家接近”，盧瑟福則“情愿把科學發現的過程視為一種藝術形式”，希德凱爾更強調“科學除了是一門藝術和詩歌外，它還是一種手藝。師父應當教徒弟學會詩人般的思維。”(注11)

形象思維為何具有科學創造的魅力？由浙江大學計算機系主任潘云鶴教授主持進行的國家863高技術和國家自然科學基金資助項目“形象思維的基礎研究”，對此已有初步的解答。他們的研究表明：形象是概念的第一來源，形象的結構是判斷的第一來源。并得出兩個令人震驚的假說：（一）抽象思維還沒有一種機制可以將概念結構出判斷，因此，從概念到判斷的構成過程是通過形象思維完成的；（二）從整體而言，傳統認為完整的抽象思維并不是一個完整的體系，它分為兩個部分，彼此唯有用形象思維才能關聯。他們的結論是抽象思維缺乏結構的綜合能力，只有形象思維才能綜合出新的結構。(注12)

三、美學在科學中的應用

美學在科學應用方面的作用可以從微觀和宏觀兩個層次來考察。微觀作用主要表現在審美設計在科學轉化為技術生產力，以及具體化為物質產品過程中提供的宜人尺度，以滿足人在物質生活中的身心協調需求；宏觀作用主要表現在審美態度在協調天人關系和人際關系所提供的和諧尺度，以滿足人在精神生活中的安身立命與終極關懷。前者側重發揮科學應用的正面效應，后者側重消除科學應用的負面效應。如果我們把合目的性稱為善，那么，這兩方面的作用都可稱為“以美促善”。

1．審美設計與科學應用

科學在人類生活中的應用，需要通過技術的手段與中介，科學知識需轉化為技術生產力，從而生產出日益豐富與進步的物質產品以滿足人們的需要。科學應用的對象目標和操作主體都是人，因此如何提供日益完美的宜人尺度成了現代科學應用的手段與中介——技術活動必須關注的重點。技術美學和勞動美學正是通過對技術產品和勞動過程及其環境的審美設計來滿足這種要求。

技術美學著重研究現代工業藝術設計即“迪扎因”問題，研究工業設計中的審美因素，揭示工業設計及其物化實踐成果所展現的技術美，從而滿足人們對物質產品的審美要求；勞動美學著重研究生產勞動活動中的美學問題，也即研究生產和工作過程中的對象、環境和工具的審美因素，以滿足人們在生產過程中的審美要求。它們共同的科學基礎是人類工程學（Human Engineering），后者從生理和心理上為人對技術產品和活動的審美掌握提供物理性的、合乎人體身心結構的基礎。就“按照美的規律”生產而言，技術美學是研究如何設計、生產出既實用又美觀的產品；勞動美學是研究如何使生產過程本身符合“美的規律”，使其變得真正自由而富于創造的樂趣。

在現代化進程中，隨著科學技術的發展，隨著整個社會文明程度的提高，人們迫切希望物質上的滿足能夠與精神上的滿足結合起來，越來越追求心理—文化結構的健全發展。阿爾溫·托夫勒的《第三次浪潮》揭示了未來社會綜合的趨勢，奈斯比特的《2000一大趨勢》預示了二十世紀的最后十年內人們對于藝術的追求將空前高漲的情景，二十一世紀將形成一次新的“文藝復興”。不少學者認為“未來世界將是審美的世界”。根據這種社會的要求和歷史的趨勢，美學在科學技術的應用中將發揮愈來愈重要的功能與作用。

審美設計有助于科學技術的應用，而審美設計又離不開設計者的美學與藝術素養。潘云鶴教授《關于設計思維的一個實驗報告》(注13)中有關理工類學生和設計類學生的平均成績的對比，是一個生動的范例。這個實驗選擇了三十四個學生，要求每個人在一個半小時內完成三個設計，為便于考察不同專業在設計思路中的差異，考試學生被分成兩組，一組由理工類研究生組成，一組由設計類本科生組成。結果評分表明：設計類幾乎在每道題的均分上都優于理工類。(注13)（附表見下頁）顯然，這是設計類學生的造型藝術素養優勢所致。再如，在計算機科學應用方面，浙江大學的計算機智能模擬彩色平面和立體美術圖案專家系統，在國內外處于領先的地位，被譽為是“科學的創新，藝術的奇跡”。這項重大課題的攻關人員，正是由計算機科學家和造型藝術家組合而成，而課題負責人潘云鶴教授本人就是先后獲得過美術、建筑和計算機學歷的三棲式人才，美術和建筑專業的修養，對他在計算機領域的成就有著不可估量的作用。

2．審美態度與科學應用

科學的應用具有兩重性，一方面促進了技術進步與物質文明，使人類對自然的認識和利用能力大大增強，使人獲得了極大的自由；另一方面卻由于科學應用的片面性，導致了人的生存環境的破壞，使人類自身生命靈性和身心平衡受到損害，從而使人又極大地失去了自由。十九世紀末二十世紀初以來，科學應用的這種負面影響已達到了極端，引起了人文主義和科學主義的全面沖突。看來通過美學來協調天人和人際及人之身心關系，對于消解科學應用在人類社會的負面影響，具有十分積極的意義。

總之，美學在科學領域具有積極的作用，無論是科技工作者還是美學工作者都不可以忽視這一點。

(注1)(注4)〔美〕M·W·瓦托夫斯基著《科學思想的概念基礎》，求實出版社中譯本1982年版，第17，28，32頁。

(注2)上海辭書出版社1979年版《辭海》縮印本。

(注3)(注6)《韋氏詞典》，轉引托馬斯·門羅著《走向科學的美學》，中譯本第132頁。

(注5)〔德〕恩斯特·卡西爾著《人論》，上海譯文出版社中譯本1985年版，第263頁。

(注7)轉引《物理學和美》，《文學評論》1988年第5期。

(注8)(注10)〔蘇〕米·貝京著《藝術與科學》，文化藝術出版社中譯本1987年版，第220，225頁。

(注9)狄拉克《美妙的數學》，《自然科學哲學問題叢刊》1983年第4期。

(注11)散見《藝術與科學》。

(注12)潘云鶴《形象思維中的形象信息模型的研究》，《模式識別與人工智能》，1991年第12期。

(注13)潘云鶴《設計思維過程的類型與模式》，《浙江大學學報》1993年第3期。