什么才算“美麗的實驗”？

編譯 高地雪

許多人可能會驚訝地發現，“美”這個字眼在今天更有可能被科學家而非藝術家說出。當代藝術家和藝術理論家幾乎認為這個詞是不合適的，或許甚至不值得信賴。與此同時，科學家們卻對“美麗的理論”以及美麗的實驗贊不絕口。許多人聲稱，這種審美反應與藝術引發的審美反應沒有什么不同，但要確切地定義它的內容，或是確定它如何被喚起，卻很困難。

一些科學家將美與對稱性聯系在一起——對稱性是現代物理學的一個核心特征——但他們無法調和這一觀點與藝術中的美學理論。例如，伊曼紐爾·康德（Immanuel Kant）的宣言就對它提出了挑戰：“所有僵硬的規律性（比如近似于數學規律性的那些）都有一些使人反感的東西”——我們很快就會對它的簡單性感到厭倦。雖然一些科學家堅稱，他們對美的概念是永恒、普遍的，但很少有人會對藝術下同樣的斷言。

一些哲學家認為，科學中的“美”僅僅是真理的代行：真理必然是美的。若果真如此，那么這種所謂的審美判斷似乎有點膚淺，也很危險：我們可能會僅僅因為認為某個想法美麗而過分信任它。

然而，有些科學家為這種觀點進行了辯護。例如，英國物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac）聲稱，一個理論是否美麗比它是否與實驗相符更加重要，而愛因斯坦則表示，“我們唯一愿意接受的物理理論就是那些美麗的理論”。另一些人則對美的認知是否能夠指引真實表示懷疑，動物學家托馬斯·亨利·赫胥黎（Thomas Henry Huxley）曾說，“科學的偉大悲劇”在于“一個美麗的假設被一個丑陋的事實抹殺”。

為什么“美”在被視為客觀的科學領域會是一個有效的描述詞？一種論點認為，科學家的審美反應刺激的神經通路似乎與那些對藝術的審美反應相同。但這并不像它看起來那樣有說服力。畢竟，性、食物和音樂都會激活大腦中相同的獎賞回路，但這并不意味著它們本質上都是相同的活動，也不意味著其中一個可以替代另一個。沒有證據表明我們的大腦擁有某種與生俱來的、神經層面的“美之回路”。

與“美麗的理論”這種觀念相比（這個評價常常被用于愛因斯坦的廣義相對論），實驗結果就不那么經常被評價為“美”了。倒不如說，它往往是在得出結果前進行的判斷，而且更多地針對實驗程序中體現的設計和邏輯。正如法國物理學家和科學哲學家皮埃爾·迪昂（Pierre Duhem）所說，實驗可以被視為具體的假設——而且，能夠高效、毫不含糊地轉譯假設的實驗對人們有一種吸引力，比如歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）對α粒子的研究中的實驗。就算如此，那些通常被認為美麗的實驗，它們的“美”也多半有一部分要歸功于事后的辯護。可能有許多計劃周密、執行完善的實驗因為沒有出結果、結果不夠好，或是無法被輕易解釋而被遺忘。

《美麗的實驗：插圖實驗科學史》（Beautiful Experiments: An Illustrated History of Experimental Science），菲利普·鮑爾著，芝加哥大學出版社，2023年9月出版

有了這個前提，實驗被賦予的美更多地在于它的執行，而非結果。它與對某盤國際象棋的（專家級）鑒賞有一些共同之處，后者源于行棋之恰當、策略之優雅，以及迫使對手出某一手的選擇。

雖然17世紀的弗朗西斯·培根（Francis Bacon）曾發表過知名言論，稱實驗在一定程度上即對自然的脅迫，但按愛因斯坦所言，一次優雅的實驗看起來更像是實驗者與自然合作揭示“某些深藏的事物”。一個美麗的實驗會整合可用的資源，揭示隨意檢查無法發現的事物。許多生物學家之所以認為揭示了DNA復制機制的梅瑟生-史達（Meselsohn-Stahl）實驗是他們學科中最美的實驗，是因為它將一個看似不可能的難題——區分看起來結果相同的可能性——變成一個可解決的問題。

美作為一種學習和探索的手段

在實驗中，有許多潛在的美學要素：概念之美、儀器設計之美（尤其是經濟性）、兩者之間的適宜性和經濟性，以及解釋結果時的推理之美。

這些都是需要創造力和想象力的特質——它們沒有定規。有些科學家似乎天生就擅長設計在美學上令人愉悅的實驗，盧瑟福就是其中最典型的例子。比起在理論中，這類優點也許更容易在實驗中發現，因為它們往往不需要深奧的知識，而且明確地內置于實驗中。

2015年著作《美麗之問：宇宙萬物的大設計》的作者、諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）認為，當一個科學觀點的“輸出超過了你的投入”，那它所蘊含的美就會顯現出來：這個觀點帶來了意想不到的新東西，揭示了超出預期的內容。

這一觀點在應用到實驗上時變得十分有趣，因為與理論相比，實驗的“可交付成果”更加明確：它的答案通常是一個簡單的是/否或這個/那個。然而，人們也可以在實驗的答案中找到極為豐富的內容。比如，我們可以回想一下，1953年引導詹姆斯·沃森（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）解決了DNA分子結構的晶體學研究。人們普遍認為，這種雙螺旋結構本身就很美——克里克和沃森都使用過這個字眼，盡管傳統上禁止在書面文章中使用它——但正如兩人在他們的發現論文中狡黠地提到的那樣，它也展示了細胞分裂時DNA可能的復制方式。沒有人預料到這一結構也會給后面這個問題提供如此顯而易見的答案。

也許我們不應該太過努力地確定美在科學中的概念：試圖讓它變成一個可量化、可測量的參數可能會殺死它，就像活體解剖會殺死不幸的實驗室動物那樣。無論如何，美麗的實驗就如美麗的理論，很可能會擁有更強的說服力：當然，自然就是這樣的！這里有點危險——我們不應該被美麗蒙蔽。但是從定義上講，美麗的實驗幾乎就是好的實驗：它們清晰、明確，并且以一種合乎邏輯和有序的方式使用可用的手段。這無疑是實驗者應當努力追求的工作方式：美在這里也具有教學功能。所有的科學都必須與其時代相符，而好的科學能夠產生、也確實產生了會在后來被修正和取代的答案。

什么才算一個好的實驗？

科學總是被錯誤或未經證實的實驗結論困擾。例如，1988年，由法國免疫學家雅克·本分尼斯特（Jacques Benveniste）領導的科學家報告說，一種生物制劑的化學溶液即使稀釋到完全不再有活躍分子的程度，仍然顯示出了生物活性。本分尼斯特認為，這表明水具有“記憶”——保留了溶解在其中的分子的印跡。盡管這份報告是真誠的，但其結果永遠無法復制，如今，它被認為是美國化學家歐文·朗繆爾（Irving Langmuir）所謂的“病態科學”的例證之一。

更好的做法或許是將這些結果視為糟糕的實驗。它們的設計方式排除了產生明確結果的可能性。有太多可能會影響結果的不可控因素。科學實驗的藝術在很大程度上在于使其具有辨別力：你需要找到一個可以嚴格探究你的假設、并可能將其徹底排除的方案。

工作中的藝術家 新西蘭物理學家歐內斯特·盧瑟福發現的α粒子來自一系列具有長久不衰的效率之美的實驗

科學家們經常聲稱，他們的實踐受到“科學方法”的指導，這指的是由一個人提出一個假設，做出預測，然后設計一個實驗來對其進行測試。但這是一種現代觀點，它是在20世紀初由約翰·杜威（John Dewey）和查爾斯·桑德斯·皮爾士（Charles Sanders Peirce）為首的“實用主義”哲學家們定下的。后來的科學哲學家，如保羅·費耶阿本德（Paul Feyerabend），質疑曾經的科學是否也如此公式化，并認為科學觀點在很大程度上同樣依賴于修辭技巧和說服，而不僅僅是邏輯和論證。

這讓一些科學家感到不安，他們堅持認為“經驗”——觀察和實驗——是真理的終極裁決者。然而，盡管從長遠來看，與實驗觀察反復發生沖突的理論無法生存下去，但從短期而言，面對明顯的矛盾，理論家們堅持自己的觀點或許是正確的。更常見的情況是，對立理論的支持者可能會就某個實驗的解釋產生爭論。其中一方之所以能夠獲勝，并不是因為他們的解釋正確，而是因為他們更善于陳述自己的觀點。或者，一位科學家可能僅僅是因為提出了錯誤的問題，而從一個正確甚至優雅的實驗中得出了錯誤的結論。

這一切都使得科學事業變得復雜、模糊、具有了社會性，但同時也使得它更加豐富、更具創造性、更輝煌地展現了人性。

資料來源Nautilus