科学与艺术的交融

2009年11月,钱学森去世仅10天,安徽省10位教授在报纸上发表了一封公开信,提出了著名的“钱学森之问”,就是“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才”.

其实,早在2007年8月,时任总理温家宝同志看望钱学森的时候,他自己已回答了“钱学森之问”：“处理好科学和艺术的关系,就能够创新,中国人就一定能赛过外国人.”钱学森为什么这么说?科学与艺术之间存在什么样的关系?对培养创新精神有什么作用?确实值得我们探讨.

从钱学森的成长谈起

钱学森不仅科学知识渊博,而且具有很高的艺术修养.

钱学森的父亲钱均夫,曾任浙江省教育厅厅长.他认准儿子是当科学家的材料,却在钱学森5岁时就让他学习绘画和音乐.吹着口琴一路长大的钱学森,不仅学业成绩优异,而且对艺术也很热爱,在书法、绘画、写作上尽显才艺.1929年,钱学森考上了上海交通大学机械工程系,课余时间经常去听音乐会,认真研讨《艺术史》、《艺术论》等论著.在繁重的学业负担下,多数学生的课余时间都被课业占去,钱学森却参加了学校乐队.那时,学校乐队的练习和演出很频繁.他是乐队的主力圆号手,因此他既要比不参加乐队的同学多挤出一些学习时间,还要比乐队的其他人多挤出一些练习时间.钱学森平时很节俭,穿着也十分朴素.但市内一有高水平的乐团演出,他往往徒步很长的路程,去欣赏音乐会,而且购写最好的票位.

后来,钱学森到了美国学习、工作,也一直没有放弃艺术方面的修养.他说,只要听到贝多芬的《D大调小提琴协奏曲》、《第四钢琴协奏曲》或钢琴奏鸣曲《悲怆》,他的心便会为之颤动,为之共鸣,便会感受到一种崇高审美力量的激励和催动.就是在这壮美音乐的激励下,他领悟了人的尊严、人的价值和他此生的使命.钱学森时常向人们提起这样的话题.

1991年,在国务院、军委授予钱学森“国家杰出贡献科学家”的授奖仪式上,钱学森说：“我还要利用这个机会表示对我爱人蒋英同志的感激等蒋英是干什么的?她是女高音歌唱家,专门唱最深刻的德国古典艺术歌曲,正是她给我介绍的音乐艺术以及这些艺术里包含的诗情画意和对于人生的深刻的理解,使得我丰富了对世界的认识,学会了艺术的广阔思维方法.或者说,正因为我受到这些艺术方面的熏陶,所以我才能避免死心眼,避免机械唯物论,想问题能够更宽一点、活一点,所以在这一点上我要感谢我的爱人蒋英同志.”

钱学森用自己的成长历程,说明了在杰出人才的培养过程中,科学和艺术之间的融合起到了很大作用.

科学和艺术的共性：对美的追求

表面看,科学与艺术是完全不同的两类学科：科学重理性,具抽象性；艺术重感性,具形象性.科学依靠归纳与推理,严谨；艺术依靠灵感与想象,浪漫.科学以逻辑思维方法为主,求真；艺术以形象思维方法为主,求美.

然而,就是对这两个存在明显差异的学科,诺贝尔物理学奖获得者李政道教授却说：“科学与艺术是一个硬币的两面,谁也离不开谁.”他之所以这样说,是因为科学与艺术之间有着共性和交融.

科学与艺术的重要共性之一,就是对美的追求.也就是说,科学不但求真也要求美,科学家像艺术家一样追求美,是科学取得创新性成果的原因之一.

德国天文学家开普勒,是行星运动三大定律的发现者.当他把哥白尼认为的行星轨道由圆形改为椭圆形,并最终确定太阳在椭圆的一个焦点上时,他高兴得跳了起来,喊出的第一句话是：“感谢上帝,让我看到了美!”

英国剑桥大学数学教授、经典名著《数学原理》的作者、分析哲学创始人、1950年诺贝尔文学奖获得者伯特兰·罗素说：“数学包含的不仅是真理,也有无上的美,一种冷峭而严峻的美,恰像一尊雕塑.”

科学与艺术之间的这种共性,对于创造和科学创新有着重要的作用.

一方面,很多杰出科学家所采取的研究方法,本质上是美学的、直觉的.爱因斯坦的助手霍夫曼,在分析爱因斯坦成功的奥秘时说：“爱因斯坦的研究方法,虽然以渊博的物理学知识为基础,但在本质上,是美学的、直觉的.”

像爱因斯坦由狭义相对论导出的方程：E等于mc2,非常简洁,却概括了最广泛的自然规律.科学公式或科学理论越简单,概括的自然现象越普遍,应用的范围越广阔,在美学上越有价值.这个公式将自然界存在的最普遍的两种形式——质量和能量,仅用一个常数光速的平方联系在一起,揭示了看似没有关系的两个物理量之间的简单关系,从而成为美学史上和美学教科书中科学美的典范.

其实,很多著名科学家都有类似的切身体会：大自然本身很美,具有简洁有序、高度概括、和谐统一等审美要素；而揭示大自然规律的科学原理、方程和实验,如果符合大自然真实情况的话,也必定存在着审美要素.所以,很多科学家在研究时,都会力图追求理论美、方程美和实验美.

与此同时,与审美有关的思维,往往是非逻辑思维.这是一种没有完整的分析过程与逻辑程序、而是依靠灵感或顿悟迅速理解并做出判断和结论的思维,即一种灵感思维.钱学森就把思维归纳为三种形式,即逻辑思维、形象思维和灵感思维.他认为,创新科学成果需要这三种思维方式联合运作.

1996年,三位英、美教授因为成功制备并揭示了碳60分子的特殊结构,而共同获得当年的诺贝尔化学奖.让人惊讶的是,碳60的结构却是这三位科学家从艺术作品中获得灵感,设想出来的!

1985年,三位教授用激光轰击石墨,形成新的化合物分子,就是碳60.他们要尽快发表文章,说明自己制出了前人没有合成的化合物,就必须给出其结构.但是,当时样品量太少,无法分析,化学家们灵机一动,想到1967年加拿大蒙特利尔世的美国馆是一个球形,设计者是美国艺术家巴克敏斯特·富勒.他们设想,碳60的结构是不是也如球形呢?

他们弄来一些硬纸片,裁成12个五边形和20个六边形,然后对照足球拼成32面体,数一数两种多边形的边的交点,正好是60个.于是,他们把碳60的结构想象为32面体的球笼状,和足球一样,将其命名为富勒烯,又名足球烯.这个设想,在1995年人们制作出足够多的样品后,通过x射线衍射分析等各种手段,证明了他们检测想的结构符合真实情况.而这个科学史上的发现,也成为科学研究受艺术作品启发的一个著名事例.另一方面,对美的探究和追求,也是让许多科学家不停钻研、不断攀登的动力之源.

科学研究的过程并非一帆风顺.然而,为什么杰出人才能克服诸多困难?有的人认为,是因为他们拥有坚强的意志、顽强的性格.这确实是原因之一.但是,杰出人才对于自己去追求创新、去不断突破,有着更为高远的想法.美国科学院院士,囊括菲尔兹奖、沃尔夫奖、克拉福德奖三项世界顶级大奖的哈佛大学数学教授邱成桐曾说：“数学的美和艺术的美是相通的等真与美总是联系在一起的,这种对美的探究和追求,是让数学家不停钻研的动力.”

英国理论物理学家狄拉克,在获得诺贝尔物理学奖演说时也说：“理论物理学家的工作,就是以漫长的一生追求美.”

这种对美的追求,不仅让科学家愿意克服现实中的种种困难,以获得最高的美的精神享受,也使他们更注重在创造活动中的精神追求,而不是各种功利的获取.想一想,当一个研究者的眼界被项目、经费包裹着的时候,当一个学生的眼界被好工作、挣大钱局限着的时候,怎么可能有杰出人才的涌现?

从这个角度说,科学与艺术更深层的相通之处在于非功利的精神气质.在这种状态下,产生出的科研成果和艺术作品往往具有典范的价值.

艺术的想象力与科学的创造力

爱因斯坦擅长并经常演奏小提琴.因此,有人就将他取得科学成就的原因简单地归结为他的音乐爱好,这种观点不全面.拉小提琴并不能造就科学家,也不能催生科学真理,真正的原因,除了爱因斯坦有深厚的物理学、数学造诣和顽强的科学探索精神之外,是他在科学研究中运用了形象思维,发挥了艺术家的想象力,从而具有了惊人的创造才能.

爱因斯坦的相对论诞生后,一直很少有人理解并接受.直到1919年5月发生日全食,英国科学家在非洲和南美洲都观察到,光线通过太阳引力场时偏转了,与爱因斯坦根据广义相对论数学推导出的偏转角度一样.由此,广义相对论获得世人的广泛认可.对此,爱因斯坦说出了一段名言：“当1919年日全食证明了我的推测时,我一点也不惊奇,要是这件事没有发生,我倒会非常惊讶.想象比知识更重要,因为知识是有限的,想象概括着世界上的一切,推动着进步,并且是知识进化的源泉.”

“想象比知识更重要”,这是艺术构思和创新的特征,其实也是科学创新的特征.在当前的信息社会里,这一点更加重要.

有这样一个故事：老师出了道题目,“如果真像电影《2012》那样,有一艘船,让你做主,你会选什么人上船?”几十个学生七嘴八舌,好几个回答是：要测试基因,挑选那些基因最优秀的人上船；还有人说,要挑选身强力壮的,体弱的不行.老师问：你们觉得知识分子应不应该上这个船?多数人都认为不应该,为什么不应该?多数人说,没想过为什么不应该,但有一个学生回答：我们现在全部的知识,一个U盘就够了,干吗还要知识分子?

这个故事,生动地说明了在知识几乎唾手可得、知识量不断积累增长的今天,拥有知识本身并不是一件困难的事情.美国哈佛大学开展了“为理解而教”项目,有一位教授研究了很多获得自然科学奖项的诺贝尔获奖者,最后得出的结论是：创新并不需要过多的知识,它们之间并不是正相关的关系.

那创新与什么有关?正如爱因斯坦说的那样,与想象力有很大关系.想象力本身是一种形象思维.创新理念不是来自逻辑思维,而是源于形象思维,形象思维能力大小取决于一个人的文化艺术素质高低.文化艺术素质高的人,他的形象思维就强,想象力就丰富.而形象思维往往大量存在于艺术之中.

现代科技有两大支柱,一是相对论,一是量子力学.由于量子力学是研究微观粒子的学科,所以在研究过程中,想象力起了很大作用.像量子力学的6位重要创始人都和文学艺术有着不解之缘：其中3位是出色的钢琴演奏家,另外3位中,奥地利的泡利对德国诗人歌德作品极有研究,法国的德布罗意本身曾获得历史学学士学位和文学硕士学位,奥地利的薛定谔曾写出不少诗歌作品.如薛定谔在研究量子力学的波动方程时,为解释量子态的叠加,检测设了著名的思想实验“薛定谔的猫”,想象力无比丰富,比喻十分神奇.

在这个思想实验里,薛定谔检测设：一只猫被封在一个黑匣子里,匣子里有食物也有.按常规理解,黑匣子里的猫要么是死的,要么是活的,与你是否打开黑匣子观看无关.然而,量子论却说这猫在黑匣子里是既死又活的,它是活态与死态的叠加态；只有到打开匣子进行观测的那一刻,才能决定猫的命运.注意是“决定”,而不是“发现”.也就是说作为一个观察者,你的观察行为影响了被观测的客体,这与经典物理是相冲突的.在宏观层面,观测行为对客体的干扰可以忽略不计,你用一把尺子去量桌子不会导致桌子的状态发生变化.然而在微观世界,粒子尺度非常小,运动速度非常快,你要测量它必须与它发生作用,那么也就改变了它的状态.这个思想实验,生动地体现了量子力学的不确定性.

就这样,薛定谔用宏观世界“猫”的生死,说明了微观世界的混沌,进而生动地说明了量子力学的本质,使之通俗易懂,从而成为科学史上最著名的十大思想实验之一.从这个实验中我们也可以看出,想象力在科学创造发明过程中的巨大作用.而薛定谔的想象力,与他对诗歌艺术的爱好与钻研不无关系.

其实,在人类文明发展史上,科学与艺术早期是不分的,后来随着社会的发展和进步,科学与艺术才逐步分化.当今,科学与艺术的交融越来越受到人们的关注,并已成为当今世界科学文化发展的特征之～.法国著名文学家福楼拜早在19世纪中叶就预言过,他说：“越往前走,艺术越要科学化,同时科学越要艺术化.两者在山麓分手,回头又在山顶会合.”他的话,在今天得到了越来越多的证实.

十八届三中全会发布的《关于全面深化改革若干重大问题的决定》提出要“改进美育教学,提高学生审美和人文素养”,并探索“不分文理科”等,对于基础教育改革是一个重要要求和提醒：通过激活学生的形象思维和灵感思维,培养他们的想象力和创造力,是让杰出人才“冒出来”的丰沃土壤.