美与科学教学课件

1、 4.1 科学是美丽的 剖析每一为科学大师的探索动机和科学思想，就会发现他们对科学的热爱与执着，都是与科学信念联系在一起的，科学家们之所以能克服一切的艰难险阻，坚忍不拔的去顽强探索，首先建立在他们对大自然存在着和谐、秩序、和规律的坚定信念上。出于他们对自然规律的简单性和普适性的洞察和欣赏。第四章 科学美分形图，是由数学描绘出来的美丽世界。通过选取一组恰当的参数并赋予某个数学公式后，依照计算结果，就能描绘出各种美轮美奂的图形。 支配奥斯特和法拉第提出他们关于电磁联系的伟大发现的思想，是他们对于自然力的统一性的信仰和追求。普朗克之所以被吸引到黑体辐射的研究上，是因为他被基尔霍夫函数的普适性迷住了。

2、爱因斯坦热情颂扬了开普勒和牛顿花费了多年寂寞的劳动寻求天体力学的原理。说只有献身于同样目的得人，才能深切体会到研究什么在鼓舞着这些人 ，并且给他们以力量。使他们不顾无尽的挫折而坚定不移地忠诚于他们地志向。科学家地成功之路是艰辛曲折地，要付出比常人更多地劳动，忍受更大的艰辛，甚至要花费毕生的精力。 开尔文勋爵晚年在回忆他的科学生涯时说：我过去50年里所追求的科学进步可以用失败这个词来标志，当然在失败中必然有些悲伤，但在科学的追求中，本身包含必要的努力。带来很多愉快的斗争，这就使科学家避免了苦闷，而且还会使他在科学工作中相当快乐。 法拉第在西方古代，毕达哥拉斯学派把对自然奥秘的探索与对自然美的追求

3、统一起来。把数的和谐作为科学解释的最高原则。从那时起，寻求自然界的和谐成为推动天文学发展的基本路标。十七世纪以后近代自然科学中兴起经验主义思潮，曾一度造成了科学与美学的某种分离。20世纪以来，以相对论和量子力学为代表的现代物理学革命却在更大的深度上推动了科学美学的发展。众多物理学家从各自的科学创造实践中，感受到科学理论的审美价值，在科学美学原则的指导下，作出了杰出的工作。美学的元素不仅渗透到科学创造的原动力之中，而且也渗透到科学理论体系的表述与构建中，美学原则潜在的影响科学成果的内容和形式，人们甚至把美学价值的大小看做是评价一个科学理论成就大小的重要标准。著名物理学家费曼说，干物理得有鉴赏力。

4、所谓鉴赏力就是那种善于从真善美的结合上敏锐抓住问题本质去创立理论的能力，这是一种高超的审美能力。狄拉克认为让方程式优美比让方程式符合事实更重要。在我看来，假如一个人在进行研究工作是着眼于让他的方程式优美，假如他有正常的洞察力，那他肯定就会获得进步。狄拉克美是真理的光辉。这句拉丁格言深刻地反应了美与真之间的内在统一性。科学理论的真理性与形式的简单、对称、和谐是互为表里的。美学的直觉和高超的审美鉴赏力引导科学家去扣开科学真理的大门。门捷列夫的元素周期表的创制是以美求真的范例，他把看来纷乱不堪的各种元素排列成令人一目了然的元素周期表。门捷列夫根据自己现有的材料和审美经验，提出了元素性质按原子量递增而

5、呈现周期性变化的规律的理论。门捷列夫根据他的科学美学思想，将当时已知的63种元素排成一张周期表，并探讨元素化学性质和原子量之间的关系。当时科学界公认铍的原子量是13.5，应排在第四类。可依据其化学性质，应排在第二类。从周期表的完美性出发，门捷列夫将铍放在第二类。最后经过精确测定，铍的原子量为9.4，理应归入第二类。这一事实正是出自他信奉的科学美学原则：真的理论必然是美的。从这一科学美学思想出发，他预言了三种未知元素的化学性质，认定它们的性质分别与硼、硅、铝相似。后来发现的这三种元素钪、锗、镓与他根据周期表预言的化学性质相同。 4.2 美在物理一 奇妙的美 1542年出版的哥白尼的伟大著作天体运

6、行论中的第一句话就是“在哺育人的天赋才智的多种多样的科学和艺术中，我认为首先应该用全副精力来研究那些与最美的事物有关的东西。”哥白尼选择这样一句话来开始他的著作，表明了他是多么欣赏科学中蕴含的美。实际上，通观哥白尼的天体运行论全书，还会发现其它一些类似的段落也表现了他对天体物理学之美的赞赏和他那难以置信的精神上的愉快。近代以来，物理学家在他们的创造活动中追求物理学之美的表现是多方面的。如近代最伟大的物理学家牛顿，从统一性的美学角度就古典力学成功地进行了完美的综合。在牛顿之前，尽管开普勒的天文学和伽利略的动力学在各自的领域中都是优美和谐的，但又各有局限性，当把这两个方面的理论放在一起时仍然有不谐

7、调之处。因此，物理学家希望在更大的范围内寻求一种优美统一的理论，使天上物体的运动和地上物体的运动有一种共同的、简单的描述。牛顿为此吸收了伽利略对运动的研究成果，得出动力学第一、第二定律；特别是他又从开普勒第三定律出发，进一步研究发现，使行星保持在它们各自轨道上的力的性质是相同的，力的大小同它们到旋转中心的距离的平方成反比。他用这个关系计算了月亮保持在自己轨道上所需要的力，并与地球表现的重力比较之后，发现它们符合得相当好。牛顿把这些研究结果总结归纳为物体之间万有引力相互作用的公式：FG(m1m2)/r2，其中G是万有引力常量。具有这样广泛而深刻内容的力学定律只涉及三个参量：质量m，距离r和力F，

8、这几乎是简单到了极点。而这正是开普勒的整个“宇宙”和谐运动和有秩序结构的原因，是形成我们的可观察宇宙的历史演化，并维持其现在图景的基本作用之一，也是伽利略自由落体定律的依据。牛顿对古典力学成功地进行了完美综合，这不仅是因为牛顿有追求理论和谐统一的动机，还在于他开辟了达到这种和谐统一的正确途径。 实验物理学家法拉第一直致力于把自己获得的实验结果上升为法则和理论。他十分欣赏电磁力转换定律那“简单而又美丽”的公式，他在研究环绕磁极分布的电场线时，感到它如同环太阳运行的行星轨道一样，也表现出大自然和谐而又简单的设计，令人神往和迷惘。 法拉第一直期望能用这种观念把电磁理论建成一个和谐、统一的体系，尽管最

9、终他没有成功，但当他读到比自己年轻四十岁的麦克斯韦用一组简洁的数学方程表述了他期望看到的统一电磁理论体系的论文时，法拉第欣慰而又略带惊奇地说：数学的魅力竟与此有这样密切的关系，实在令我吃惊，想不到数学有这样大的用处。 麦克斯韦是一位擅长数学并喜欢诗歌的物理学家，他决定用数学方法来弥补这方面的问题。 英国著名的物理学家、量子力学的创立者之一狄拉克，在一次讨论现代物理学的国际会议上谈到理论物理学的方法时曾经说到：“随着对一个课题的知识的不断增加，依据大量的证据去工作时，人们就越来越多地转向数学程序，那时追求数学美成为一个潜在的动机。理论物理学家把对数学美的要求当做信仰的行为，它没有什么使人非信不可

10、的理由，但过去已经证明了这是有益的目标。比如，相对论得到如此普遍的承认，其主要理由就在于它的数学美。” 量子力学的另一位创始人薛定谔也很欣赏理论物理中的数学美，所以他后来同狄拉克的意见颇为投合。薛定谔建立的量子论的波动力学形式，目的就在于使量子论的运动方程同经典波动方程保持和谐，同时也受到德布罗意理论和相对论那种美的影响。后来物理学家证明，量子力学的三种表述形式：海森堡形式、薛定谔形式、狄拉克形式，都是等价的。他们以不同的数学工具描述微观粒子的运动规律，展示了不同特色的和谐美。 物理学的和谐美不仅呈现于整体和局部结构的有机统一之中，而且还呈现在自然规律中的过去、现在和未来的因果链中。现代宇宙物

11、理学把广义相对论和粒子理论、统计热力学结合起来，描绘了一套自洽的、可观测的宇宙演化过程。应该说，这个思想是发端于爱因斯坦和他所坚信的宇宙和谐论。爱因斯坦建立广义相对论的动机就是为了求得物理定律在更大范围内的统一，他根据自己的理论建立了静态的宇宙学方程，试图用物理学理论解决宇宙的总体结构和运动规律的和谐问题。 二 物理学之美到底包括哪些种类呢? 从不同的角度来分类，会得到不同的结果。譬如，著名物理学家杨振宁通过归纳总结，把物理学之美分为三类：（一）即现象之美，理论描述之美，理论结构之美。 1. 现象之美，指的是从人类的直感来说。许多物理现象之美，如“彩虹”，当我们一看到就会脱口而出“美极了”。然

12、而，还有许多美丽的实验现象只有训练有素的人才能观测到。例如，行星的轨道都是椭圆的，这是非常美的现象，当第一次发现这些轨道是完美的椭圆时，人们感到极大的喜悦。 2. 理论描述之美，指的是人类对自然界一些基本性质的理论描述之中所表现的美。如关于库仑力的规律就是一个漂亮的描述，它描述了先前不服从任何特殊定律的现象，而现在它们却服从了。热力学中的第一、第二定律也是对自然界某些基本性质的很美的理论描述，第一、第二定律的结论和对这些定律精确的观察是每一位学习热力学的人都很欣赏的课题。 3. 理论结构之美，指的是人类对自然规律从理论上提出的漂亮数学结构所表现的美。如前面谈到的麦克斯韦方程组、量子力学的表述形

13、式，等等。 （二）从产生物理学的美感的起源来说，物理学之美应该是发源于物理学研究之中，它与物理学研究对象、物理学研究成果有着密切的关系。所以从这个角度来看，物理学之美可分为：物理学研究对象的美感、物理学理论的美感、物理学实验的美感和物理学常数的美感等。 1. 是来自物理学研究对象的美感。这是物理学研究对象通过外观而表现出来的结构和谐引起观察者美的感受，这些感受包括物理学家眼里的粒子运动径迹、电场线、磁感线、电磁波等等。如果仅仅从通常人们欣赏自然美的眼光看来，这些对象可能并无特别的美感，但物理学家却感受到它们吸引人的美的特质。比如物理学家眼里的“银河美”不仅在于它十万光年的巨大尺度，它的有规则的

14、旋涡结构，而且还在于它包含着无限生机的奇境以及它与我们生活的这个渺小地球的统一、和谐 .2.是来自物理实验的美感。这是由于实验指导思想的创造性、实验装置设计的新颖性和实验技术的艺术性，从而克服了种种困难，做出物理学上的重大发现或技术上的出色发明而使物理学家产生由衷的美感。实验物理学家迈克耳逊运用他设计的干涉仪把光栅的分析能力提高了一个数量级，和莫雷一起进行了“以太漂移实验”，成为狭义相对论思想的实验基础之一。爱因斯坦称赞他说：“我总认为迈克耳逊是科学中的艺术家。他的最大乐趣似乎来自实验本身的优美和所使用方法的精湛。” 3.是来自物理学理论和物理学公式的美感。一种科学理论如果能以尽可能少的基本假

15、设、运用明晰而严密的逻辑推演出具有普遍深远含义的结论，得出简单、对称的方程、公式，做出精彩的科学预言，这种理论就被科学家认为是美的。按照英国古典美学家哈奇逊的说法，这样的理论是美在“多样性中的统一”。许多科学家和美学家认为牛顿的万有引力定律具有不容忽视的理论美的特征，即从一个理论可得出大量的推论并能为观测所证实。泡利评价海森伯的矩阵力学是量子理论“破晓时分的朝霞”。科学界更多的人赞美爱因斯坦的广义相对论是一个“漂亮的理论”。4. 是来自物理常量的美感。任何一个物理常量的发现都为物理学的发展打开了一个丰富多彩的新天地。物理常量是揭开自然规律的关键，给物理学家的感觉像闪闪发光的金钥匙。狄拉克曾经尝

16、试把几种自然常量适当组合得出一些无量纲的“大数”，他发现，这些大数有惊人的和谐关系。物理学中有诸多的物理常量，如G、D、e、c、h，这些常量当中的每一个都可以引出一连串令人神往的美妙故事和传奇般的历史。沉思一下可知，这种美妙的感受来自对自然界和谐结构的理解。 （三）若从物理学的哲学角度来探讨物理学之美，那么，它可以包含在以下几个方面 1 是物理学的美在于它发现隐含的真理，在于它发现普遍的真理。这是18世纪著名英国美学家哈奇逊的观点，同时也是英国哲学家弗兰西斯培根的观点。哈奇逊说：“科学理论有一种不容漠视的美，就是可以从一个科学理论容易地推出大量推论当人们研究自然界的时候，对某些重大原理的认识就

17、具有这种美，从这些原理中可以引出无数的推论。牛顿的公式中的引力就是这样。”爱因斯坦创立的广义相对论之所以优美，也是因为它揭示了一个“隐含的真理”：两对一直被认为完全无关的概念，原来是相互联系的，它们就是空间和时间的概念，物质和运动的概念。弗兰西斯培根 2. 是物理学的美在于它发现自然界中的和谐。物理学家米格达尔说：“物理学的美在于它逻辑结构的合理匀称和相互联系的丰富多彩。在核对结果和发现新规律中，美的概念证明是非常宝贵的；它是自然界中存在的和谐在我们意识中的反映。”开普勒在发现行星运动的定律以后，由于看到了自然界呈现出来的和谐之美而激动万分。海森堡在创立量子力学矩阵理论的过程中，面对“量子力学

18、在数学上的一致性和条理性”所呈现出来的和谐产生了深切的美感。 海森堡3. 是物理学的美在于它发现自然界存在的简单性。爱因斯坦以为：“有可能把自然规律归结为一些简单的原理；评价一个理论是不是美，标准正是原理上的简单性，不是技术上的困难性。”事实上，爱因斯坦的质量能量关系式Emc2，普朗克的能量与频率的关系式Eh，牛顿的万有引力定律和库仑的电荷静电相互作用定律等，都是用极其简单的形式表达了理解起来却那么复杂的自然界的规律，难怪人们都赞叹这些定律的优美。 三 物理美的主要表现形式 物理美的主要表现形式是用其具有的性质来表现的，这是形式上的表现，这种表现反映了物理世界、物理学内部的规律性，这就使得这些

19、性质之间具有相互联系，因而没有非常明显的界限，从这一点上看，物理美的讨论具有一定的复杂性。即使这样，这种划分仍然具有一定的意义。 1独创性。科学把独创性定义为一种最高的价值，因为只有通过或大或小具有独创性的科学研究成果，科学才能进步。独创性的理论成果给人以新奇美。当我们初次接触到相对论、量子力学、宇宙大爆炸理论时，都有这种美感。 宇宙大爆炸理论2统一性。客观物质世界尽管丰富多彩，但是其本质上具有统一性。那么描述和揭示客观世界的物理现象及物理规律的物理学也是具有统一性的，它显示出一种崇高的美。诚如爱因斯坦所说：“从那些看来直接可见的真理十分不同的各种复杂的现象中认识到它们的统一性，那是一种壮丽的

20、感觉。”因此，追求理论的统一性，也就成为物理学大师们坚定不移的信念和始终不谕的目标。正如物理学上电和磁的统一理论 麦克斯韦理论。爱因斯坦为相互作用统一耗尽了后半生精力，而电磁作用与弱相互作用的统一，导致了许许多多的物理学家致力于规范场理论，其目的正是为了谋求引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用的大统一理论。3和谐性。物理学的和谐性主要表现在其学科自身内容协调和形式匀称，而且与其他认识体系是相容的、一致的。理论的各个部分以及各种理论之间的和谐、形式的对称，无疑能给人一种和谐的美感。电磁波与光理论、引力平方反比作用与电荷相互作用的库仑平方律、费尔马原理在力学和光学理论中的和谐、质能关系反映的质量、

21、能量之间的统一性等都存在这种美感 .4简单性。科学的简单性在古代自然哲学家以及近代科学家的永不休止追求中得到了充分体现，简单性揭示了科学的质朴美。开普勒三定律、牛顿力学体系、麦克斯韦方程组、爱因斯坦相对论等理论都充分显示了这一特点。物理学之美的本质是简单性，简单性显示了物理科学的质朴美。 5预见性。预见性是科学美的又一重要表现，由于客观世界发展是有规律可循的，具有一定的必然性，或者说在一定程度上具有客观的规定性（因果性），所以描述客观世界发展规律的科学就具有这种特性.这在数学上反映为物理规律满足一定的数学物理方程以及满足一定的统计规律，同时事物的规定性又反映了物理内涵与形式的相互联系、相互统一

22、。如爱因斯坦的诸多理论：时空对称性与力学守恒律，即关于时间反演对称性对应能量守恒，空间平移对称性对应动量守恒，空间转动对称性对应角动量守恒以及空间反演对称性对应宇称守恒（不过宇称守恒在弱相互作用下被破坏了）。 6逻辑性。物理学所用的语言除了物理表述以外，绝大多数理论的思维中用了数学语言，具有逻辑性。数学有简炼、严密、精确、理想化等特点，这就使得物理学有可能从实验物理转向理论物理。在物理理论中，物理规律用数学语言描述以后具有形式上的规范性、协变性，从内容上本质更突出、更明了，这种表述给人以简洁的美、协调的美。它是在数学基础上反映了物理世界内部的和谐、统一和简单。利用数和形来描述自然是许多伟大科学

23、家的出发点，用数和形来统一客观世界是否能够实现笔者不敢断言，似乎过于简单化了些，但也不是没有道理。 7适用性。这里分两个部分来说明：第一，前面谈过物理学创造了一个人造物理世界，它为人类直接提供了巨大的物质财富和精神享受。电、电磁波、光子器件、半导体、激光、计算机、原子能和平利用以及超导等，无疑给人类文明增添了光彩，这些科学成果难道不能称之为“科学艺术品”吗？当这些“艺术品”给你带来方便、带来快乐时，你能不为此而兴奋吗？这种在局部范围内征服自然的成果给人一种欣慰的美感。第二，物理运动是自然界最基本的运动之一，因此其运动规律具有普适性，而描述物理运动的物理学则具有广泛的适用性。如19世纪，物理学基

24、础学科曾对化学、冶金学、医学等学科起过巨大作用，尤其是能量守恒定律更是作为自然界的一个普遍原理为人们所接受。20世纪相继出现了相对论、量子力学等新的物理学理论，又为人类开辟了一个崭新的时代。尤其是量子论、相对论是现代科学技术的两大支柱，在这个基础上出现了固体物理、量子电动力学、量子生物学、量子化学等学科。在技术领域内发展了材料科学、宇航、原子弹、计算机等一系列科学，它们如雨后春笋不断涌现。量子论和相对论的出现影响到我们认识世界、征服自然的进程，也改变了人类社会本身。8非逻辑性。现代物理学的研究愈是深入愈是表明它的规律具有“非逻辑性”，超越了现有语言。逻辑是西方文明的骄傲，它一直在统治着人类的理

25、性思维，近代物理学的思想与结果颇有点像东方的神秘主义，具有一定的平行性。这里，物理学具有一种朦胧的美、神秘的美。比如波粒二象性、关于测量的思考等，使人不得不对人类与自然的关系进行一些有益的反思，可望重建人与大自然之间的新的同盟，这亦是近代物理学对哲学的主要贡献。9“艺术性”。如果说艺术创造美，那么物理也在创造着艺术，它为艺术的创造提供必要的物质基础和一定的理论依据。各种乐器之所以具有不同的音色和韵律，你是否注意到其中物理学的贡献，尤其是电子乐器和各种音响设备的出现，更能体现这一点。绘画艺术中更是离不开物理：国外超现实主义画家利用物理学中光声规律创造艺术品；节日的联欢晚会上，五彩斑烂，变幻莫测场

26、面，更是离不开光；一幅全息图惟妙惟肖地真实重现了一个立体物体；这些都能给人以“艺术美”的享受，光学现象大都具有这种美感 黄金分割率公众常常会提出这样的问题：科学也能引起美感吗？美学家朱光潜指出：“真理在离开实用而成为情趣中心时就已经是美感的对象了。”他还说，“地球绕日运行”、“勾方加股方等于弦方”一类的科学事实，和密罗爱神或第九交响曲一样可以摄魂震魄。科学家去寻求这一类的事实，穷到究竟，也正因为它们可以摄魂震魄。所以科学的活动也还是一种艺术的活动，不但善与美是一体，真与美也并没有隔阂。科学之美，是无言的大美，是摄魂震魄的大美 .4.3 科学之美一、欣赏就是觉得有趣我们常说“欣赏”这个词。但是，

27、究竟什么是“欣赏”？朱光潜说，“觉得有趣味”就是欣赏。你是否知道生活就是你对于许多事物能否欣赏。欣赏也就是“无所为而为的玩索”。“欣赏这就是为着一件事物本身而爱好它，不为旁的理由”，达芬奇这句话， 像是在500年前为朱光潜所言作的注释。 二、科学的奇异美 爱因斯坦曾经说过，世界上最美的东西就是奥秘，歌德的看法与爱因斯坦很接近：“美是自然的秘密规律的表现。没有美的存在，这些规律也就决不会显露出来。”科学家欣赏大自然的奥秘之美。奥秘之美引来了人类的好奇心。好奇、爱美是人的天性，在这里爱因斯坦把好奇与爱美统一起来了。大自然的奥秘美催生了奇异美。古希腊哲学家亚里士多德指出，科学与哲学始于惊异。奇异美令

28、人惊异，随着人们的探索，科学便诞生了 歌德破解大自然的奥秘，更深刻、更广泛地了解大自然，就会更强烈地感受大自然之美。1996年诺贝尔物理学奖获得者奥谢罗夫的话“大自然对侧耳倾听者悄声细语”，会让每一个人感受到科学家与大自然之间的脉脉温情。“宇宙的奥秘”、“宇宙内在的秩序”、“自然的秘密规律”，都是自然的内容美。大自然的规律也正是科学美所要表达的内容。可以说，科学美偏重内容美。 三、科学的和谐美 爱因斯坦很早就认为，在大自然里隐藏着“崇高庄严、不可思议的秩序”，坚信大自然本质上是统一的、和谐的、简单的、可以理解的。科学所揭示的大自然规律，具有内在的和谐美。对立统一、多样和谐，造就了大自然之美。美

29、在和谐，这是人类几千年前就已经产生的深刻认识。有科学家认为，大自然是按照最优化系统的进化路线发展过来的，体现了美的规律。大自然本身就是一个统一和谐的美的整体。揭示大自然内在秩序与和谐的自然科学，具有更深层次的美。从那些看来同直接可见的真理十分不同的各种复杂的现象中，科学家认识到它们的统一性，他们得到的是一种壮丽的感觉。此外，科学研究的对象、方法、过程、结果等还会表现出动人的形式美外在的和谐美 四、科学的简单美 爱因斯坦指出，人们总想以最适当的方式画出一幅简化的和易于领悟的世界图像，于是他就试图用他的这种世界体系来代替经验的世界，并来征服它。这就是画家、诗人、思辨哲学家和自然哲学家所做的，他们都

30、按自己的方式去做。科学家崇尚简单美。狄德罗说：“算学中所谓美的问题，是指一个难于解答的问题，所谓美的解答是指一个困难复杂问题的简易解答。”史莱因说：“艺术有三个层次：用简单的话表达复杂的事；用复杂的话表达复杂的事；用简单的话表达简单的事。第一类为上。” 法国文豪雨果(18021885) 在他那个时代，就对科学有了感受：“科学把人类生存的规律简化到可怕的程度。”科学家怀有这样的理念：自然界的规律，都符合一个简单优美的数学模型。简单，是科学家理论与数学描述的至美。爱因斯坦的“简单性原则”、牛顿的“节约原理”，与人文学者的“简洁是艺术性的第一个条件”、“艺术上的节约制度”，让我们远远望见了科学与艺术

31、之源：在山顶上，它们会合在一起。 五、科学的观念变革美 诺贝尔奖是从1901年开始颁发的。100年来的历史告诉我们，诺贝尔科学奖获得者往往是一些对传统观念说“不”的人，而且用实践证明自己说得对，他们都获得了诺贝尔奖 作出伟大贡献的科学家，在科学转折关头总是“独辟蹊径”。他们往往是“特立独行”，他们决不“随波逐流”。世界上第一位获得诺贝尔物理学奖的伦琴有一句名言：“我喜欢离开人们常走的小路，而走荆棘丛生的山路，如果我迷失了，不要在大道上找我!” 对传统科学观念说“不”，就是“逆向思维”，就是“打破常规”。伟大的科学家、艺术家与常人看法迥异，往往被蔑称“疯子”。2004年是达利诞生100周年，达利

32、曾经笑谈“疯子”：“我跟疯子的唯一区别是，我还没疯。”汤姆生指出观念转变对科学革命具有根本意义：“在能够对科学做贡献的所有因素中，观念的冲破是最伟大的。” 爱因斯坦认为：“一般地可以这样说，从特殊到一般的道路是直觉的，而从一般到特殊的道路是逻辑的。”科学家既要有严密的逻辑思维，又要有敏锐的直觉、灵感，这样才能抓住科学革命的机遇；科学家既要拥有知识，又要有洞察力，这样才能认识研究中出现的意外事件的意义；科学家既要有理解力，又要有想象力，能够想象世界怎样运转，能够提出假设、创造理论；科学家还要有勇气、有胆识，敢于坚持违反传统观念的正确的新观念。可以看出，观察变革带给人们的，是科学的精神美、胆识美、

33、智慧美、创造美、奇异美。 六、科学的实验美 1895年，伦琴发现了X射线，然而究竟X射线是什么？直到1912年科学界仍然众说纷纭。物理学家劳厄认为，X射线是电磁波。他设想，只要X射线的波长与晶体中原子(离子)之间的距离相接近，用X射线照射晶体时，就能观察到电磁波的干涉现象。在劳厄的鼓励下，两个年轻人做了这个实验，于1912年获得成功：X射线穿过晶体发生干涉，在底片上形成规则的图案。这个实验被爱因斯坦誉为“最美的实验”。在科学的历史上，曾经出现许多杰出的实验科学家。他们所设计的实验往往给人以美感。麦克尔逊以实验精巧、精度高闻名。他与美国化学家莫雷合作，在1887年以40亿分之一的高精度实验，否定

34、了以太漂移的说法。麦克尔逊被爱因斯坦称为“科学界的艺术家”。 七、科学的理论美 科学理论之美是一种深邃的美，它展示的是大自然的内容美大自然的内在秩序、内在和谐。科学理论的和谐美、简单美、奇异美，常令人叹为观止。科学的理论之美，例子不胜枚举。1864年，英国的麦克斯韦用一组数学方程，就描述了所有的电磁现象，预言了电磁波的存在，揭示了光就是一定波长范围内的电磁波。麦克斯韦电磁场方程组的内容美、形式美让人倾倒。在内容上，它把电学、磁学、光学的基本理论和谐地组合在一起；在形式上，它的数学表达简单而对称。麦克斯韦方程组是理论简洁美、和谐美的典范。 此外，能量守恒和转化定律、爱因斯坦的质量能量关系式、狄拉

35、克方程、海森堡方程、薛定谔波动方程，等等，都使人感受到理论美的冲击。无数科学家为了追求科学的理论美，献出了毕生的精力。库珀说：“我的工作热情来自科学理论的优雅、严谨与完善。”音乐家运用音符表达自己的感受与见解，科学家力图通过最简单的公式和定理来表达大自然的规律与自己的美感。科学家也在欣赏自己或他人发现的科学理论中，得到惬意、酣畅、甘美的精神享受。爱因斯坦曾经称道许多科学家的工作，他热情赞美玻尔的电子壳层模型，堪称“思想领域中最高的音乐神韵” .八、科学的计算美 高速度、大容量的电子计算机为高性能科学计算提供了条件。1955年，美国洛斯阿拉莫斯实验室，发表了一篇题为非线性问题研究的报告。这是由著

36、名物理学家费米策划和领导的一项“计算实验”完成后提交的研究成果，也是科学研究方式发展的一个里程碑。从此，计算机开始用于那些解析数学无法处理的复杂现象，计算物理学诞生了，计算科学诞生了。从1955年开始，实验研究、理论研究、计算研究三足鼎立，支持着科学的发展。2001年美国IBM公司宣布，将研制“蓝色基因1”超级计算机，浮点运算速度可达200万亿次每秒。具有更高性能的超级计算机，将在物理、化学、医药、天气预报、军事科技等诸多领域获得广泛应用 九、科学的文化美 科学是人类从事的一种文化过程。科学展现它的人文之美，即科学的文化美，包括科学家的人格美、科学智慧与哲学之美等。杰出科学家拥有许多优秀品格、

37、高尚作风，从他们身上，人们看到科学家的人格美。科学家崇尚真理，决不盲从“权威”，敢于挑战“成论”；科学家耐得“寂寞”，志在揭示规律，决不追名逐利；科学家严谨治学，敬畏实验事实，决不弄虚作假；科学家追求真知，尊重不同观点，勇于修正错误。在各国进行的社会调查中，科学家往往最受公众尊重，显示出科学文化人的人格魅力。 科学家的智慧之美、哲理之美，倾倒多少爱好学习的人。面对多达万次的失败，爱迪生没有灰心，他认为，那不是1万次的失败，那是找到了1万种不能运行的方式。人们钦羡爱迪生一辈子有2000多项发明，却没有注意到他写完了3500个笔记本。人们接触最多的是科学力量之美，特别是那些与科学相关的、具体而直观

38、的人文环境美与日常生活美。 4.4 艺术美与科学美的融合 科学美是指科学活动和科学成果上表现出来的美.是人类探索发现自然规律过程中所创造的成果和形式.科学美是一种理性美,是以事物内在结构的和谐秩序而具有的美.这是一种比较抽象的美,深奥的美,而认识它的美需要理智的参与才可能.科学给人的感觉不是感观有多少愉悦而是使人的理智震惊和灵魂战栗 .双结生翅成超导，单行苦奔遇阻力科学美从人类文明之初，到欧洲文艺复兴运动，艺术和科学总体说来是浑然一体的。到了17世纪，二者发生断裂。其后，艺术家基本不再涉足科学，而科学家则大多成了局限于某一领域的专家。早在20世纪20年代，我国著名教育家蔡元培先生就率先倡导“沟

39、通文理”的思想。蔡元培曾于我在北京大学的经历一文中写道：“那时候我又有一个理想，以为文理是不能分科的。例如文科的哲学，必须基于自然科学；而理科的学者最后的假定，亦往往牵涉哲学。从前心理学附入哲学，而现在用实验法应列入理科。教育学与美学也渐用实验法，有同一趋势。地理学的人文方面应属文科，而地质地文方面属理科。历史学自有史以来属文科，而推原于地质学的冰期与宇宙生成论，则属于理科。”当时，他发现了在教学中由于文理绝对分隔所产生的弊端：“乃文科学生，因与理科隔绝之故，直视自然科学为无用，遂不免流于空疏。”“乃理科学生，以与文科隔绝之故，遂视哲学为无用，而陷于机械的世界观。” 蔡元培提出：“为融通文理两

40、科之界限：习文科各门者，不可不兼习理科之某种（如习史学者，兼习地质学；习哲学者，兼习生物学之类），习理科者，不可不兼习文科之某种（如哲学史、文明史之类）。” 时至今日，艺术和科学似乎依然远远地隔离着。一些人依然认为二者是人类的两种没有太多关联的文明成果。以至于当我们谈及艺术的某些门类和科学的某些学科的时候，例如，当我们谈及音乐和数学、原子物理学和诗歌的时候，很多人就会想当然地认为那是风马牛不相及的事情。这种认识当然是错误的。 科学是理性的、严谨的、求真务实的，艺术是感性的、浪漫的、追求美感的，一个是客观规律的逻辑演绎，一个是主观灵感的尽情发挥。科学与艺术貌似南辕北辙，针锋相对，然而科学求真，真

41、中涵美；艺术求美，美不离真。科学与艺术，就像从不同方向攀登同一座山峰的两个人，法国文学家福楼拜说：“越往前走，艺术越是要科学化，同时科学也要艺术化。两人从山麓分手，又在山顶会合”，共同奔向人类向往的最崇高理想境界美，可谓殊途而同归。 和谐之美正是科学家和文学艺术家共同追求的最高理想境界，是科学和艺术以各自不同的形式努力表现的共同目标，所以科学和艺术从来就是相通的，互动的。 科学美质疑 许多人提倡科学美，但也有一些怀疑者对科学美提出质疑。诗人济慈认为牛顿用三棱镜将太阳光分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的光谱，使彩虹的诗意丧失殆尽。因此科学不仅不美，还会破坏美感。这位十九世纪英国著名诗人的声音在当

42、代也会产生回响。自古以来，明月为诗人所反复吟咏，写出了许多美丽的诗篇。民间也有不少关于月宫的浪漫神话：玉兔舂米，吴刚伐桂，嫦娥奔月，千古流传，脍炙人口。1969年阿波罗号首次载人登月成功，传回的月球表面照片坑坑洼洼，像一张麻脸。更煞风景的是，什么玉兔、吴刚、嫦娥、桂花树等等全属子虚乌有。“嫦娥应悔偷灵药，碧海青天夜夜心。”原来是李商隐自作多情！ 牛顿的分光实验揭开了彩虹之谜原来是太阳光折射所致。虹桥、天梯、霓裳羽衣等美丽的联想随之褪色，难怪有人感到失望而责怪牛顿，这是一方面。但还要看到另一方面：牛顿的实验开光谱分析之先河，从此以后，科学家利用这个工具，发现了科学世界中前所未见之旷世奇美。天文学家利用光谱分析，在弥漫太空的星云中找到了有机分子，这一重要发现说明，茫茫天宇到处潜藏着生命的种子，原来我们并不孤独。 许多美学问题并不仅仅和艺术相联系。例如，黄金分割问题就是一