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作者： 徐文耀 来源： 发布时间：2015-11-30 14:15:26
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人生的要旨在于追求美：美好的生活、美好的心灵、美好的社会、美好的未来……
然而，对美的理解因人而异，层次有别。为了使我们对美的认识有深度，上档次，够品位，富理性，我们必须知道：什么是美？美在何处？美的神韵和追求美的苦乐何在？如果能从理论的层面理解美的科学内涵，那你对美的体会就会更上一层楼。
什么是美
在哲学家眼里，美是和谐。伦理学家则认为，美是真与善的表述。而科学家会告诉你，美是自然现象的固有属性。
古希腊哲学家毕达哥拉斯曾说过，美就是和谐，整个宇宙是一种和谐，宇宙的和谐是由数组成的，因而数构成了整个宇宙的美。他把数和美联系了起来。马克思也说过，一种科学只有在成功地运用数学时，才算达到了真正完善的地步。
可见，科学与美紧密相连。
我们赞美大好河山，喜欢万物峥嵘，欣赏音乐绘画，我们更想进一步知道，为什么秀丽山水让人流连忘返？为什么大千世界让人浮想联翩？为什么轻歌曼舞使人心旷神怡？为什么艺术作品使人心灵震撼？
那是因为它们有一个共同的灵魂——美。美无处不在，美在自然中，美在生活中，美在知识中，美在科学中。
科学美有何用？
科学，用美装饰生活。在我们的日常生活中，到处都可以看到最美的几何图形——圆和球。闹钟、硬币、贴画、天坛圜丘、福建土楼……它简单朴素，匀称对称，美无瑕疵。
科学，用美深化生活。你会想到万有引力公式有装饰品这一功能吗？在北京前门外瓷器口的过街天桥上，F＝Gm1m2/r2这一放之四海而皆准的公式竟成为天桥的装饰品。
科学，用美启迪思维。现在我们都知道地球是圆的，但在远古时代，人们单凭生活在地面上的感觉，以为天圆地方。第一个想到地球是圆的这个人是受到了一种什么样的启发？他的科学智慧火花从哪里来的呢？是美学。
很早以前古希腊有一位哲学家，他认为万能的上帝一定会创造一个最美的地球给我们，而圆形正是最美的图形，所以几千年前人们就想到地球是圆的。
科学，还让我们的生活浪漫高雅。还记得电视上播放的“百岁山矿泉水”的广告吗？也许很多人并没有明白广告的真实故事。其实广告上老人的原型正是著名数学家笛卡尔，他有一位女学生是瑞典公主克里斯汀，后来他们相爱了。国王知道这件事以后，下令扣押笛卡尔写给公主的所有信件。
最后，笛卡尔给公主写了一封信，信中只有一个方程式：ρ=1-sinθ。国王看不懂，以为他们在讨论数学。于是就把这封信给了女儿。拿到信的克里斯汀欣喜若狂，她立刻明白了恋人的意图，找来纸和笔，着手把方程图形画了出来，一颗心型图案出现在眼前，克里斯汀不禁流下了感动的泪水。这条曲线就是著名的“心形线”。
我国著名数学家华罗庚曾说过：“就数学本身而言，是壮丽多彩，千姿百态，引人入胜的。”然而对于大多数人来说，数学是复杂抽象、让人害怕的，就连数学家都让人感到不食人间烟火。
真是如此吗？其实不然，数学是最美的。因为数学来源于生活，生活是美好的，数学怎能不美好呢？如果数学不美，古希腊数学家阿基米德怎会在面对罗马士兵的长矛时大喊“不要动我的几何图形”呢？
就连科学家的墓碑都在教化人，充满着深刻的美。阿基米德死后，他的墓碑上刻着一个“圆柱容球”的几何图形，即圆柱容器里放了一个球，该球顶天立地，四周碰边。在该图形中，球的体积是圆柱体积的2/3，并且球的表面积也正好是圆柱表面积的2/3，这是阿基米德最喜欢的一个数学发现。
古希腊数学家丢番图，他的墓碑就是一道数学题，或者说是一则谜语：坟中安葬着丢番图。上帝给他的童年占一生的六分之一，又过了十二分之一，两颊长胡，再过七分之一，点燃起结婚的蜡烛。五年之后天赐贵子，可怜迟来的儿子，享年仅及其父之半，便进入冰冷的墓。悲伤只有用数论的研究去弥补，又过了四年，他也走完了人生的旅途。终于告别数学，离开了人世。
谁说数学家没有情趣？谁说数学家不懂得美？他们对美的理解比我们常人要深刻得多，他们对美的追求更远远超越我们俗人。
领略科学美之神韵
科学美有许多特征。其中最重要的特征之一是简单之美。霍金曾在《时间简史》中这样说过：“科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。”
没有哪一个方程或定律能有牛顿第二运动定律那样简单：F=ma，仅用三个量就将经典力学的基本运动规律表述得既简单又完美。这个公式控制着宇宙空间中所有宏观物体的运动，可谓形美义深。
对称之美是科学美的另一个重要特点。空间镜像对称性是中国人用得最多的对称性。比如天坛就体现出空间镜像对称性；而对数螺线体现出空间标度对称性；基因双螺旋结构、真空中的麦克斯韦电磁方程则体现出了空间转动对称性；时间平移对称性和反演对称性使我们对过程有了更加深刻的认识。事实上，物理学中的种种守恒定律都植根于一定的对称性。
介质中的麦克斯韦电磁方程位列“极其优美的十大数理方程”之首，这一方程组完美地统一了整个电磁场。任何一个能把这几个公式看懂的人，一定会感慨：“这个方程怎么会如此对称，如此完美？”
维纳斯的雕像、蒙娜丽莎、巴特农神庙这些艺术家眼中的精品则符合了科学中的匀称之美。维纳斯之所以美，正是因为它体现了数学中的黄金数0.618；巴特农神庙的宽和高的比也符合0.618；就连蒙娜丽莎的主要器官都处在一条对数螺线上。
凌乱美也是科学美的特点之一。地磁场倒转的曲线看似凌乱无规，但是将它画在另一个坐标上时则变成了漂亮的“蝴蝶”。凌乱表象背后的规律性只有在深入的科学研究之后才会呈现出来。酒徒的醉步是“凌乱”的，“无规”的，然而，它恰恰与布朗运动相似，这些“凌乱”现象的背后潜藏着深刻的规律。爱因斯坦对此研究的成果对热力学和统计力学产生了重大贡献。
凌乱美推动了数学统计理论、混沌理论等相关理论的发展。“蝴蝶效应”大家并不陌生。上个世纪70年代，美国一个名叫洛伦兹的气象学家在解释空气系统理论时说，亚马逊雨林一只蝴蝶翅膀偶尔振动，也许两周后就会引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。很微小的变化经过不断的放大，最后变成巨大的灾害，这正是混沌理论的核心思想。
可以说，统一之美才是所有科学理论追求的最高目标、最佳境界。对统一美的追求，激励着一代又一代的科学家，孜孜不倦，前赴后继，他们试图用最少的要素解释最多的现象。■
（作者系欧宝体育APP下载：地质与地球物理研究所研究员）
《科学新闻》 (科学新闻2015年11月刊 科学传播)
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