从美学的角度看科学与艺术

涂铭旌 刘定祥

从美学的角度看科学与艺术

涂铭旌 刘定祥

专家档案：

涂铭旌，中国工程院院士，博士生导师，四川大学教授，重庆文理学院兼职教授，重庆文理学院名誉院长，全国高等学校先进科技工作者。主要成果：获国家科技进步二等奖一项、三等奖一项，获国家自然科学三等奖一项，2000年以来获省、部级科技进步一等奖一项、二等奖四项，获四川省研究生教育优秀成果二等奖一项。编写并出版了《钢的热处理》、《机械零件失效分析与预防》、《材料创造发明学》等四本专著。

专家档案：

刘定祥，重庆文理学院教授，重庆文理学院学报执行主编，重庆市社科专家，学术主攻方向——统计学和数量经济。发表论文40多篇，独著专著2部，合著专著3部，主编教材2部，主持和主研厅级以上的科研项目15项，获奖20多项。

编者按：

中国工程院院士涂铭旌从教60年，教学、科研成果丰硕，他的创新思想、创新成果还在不断涌现。涂院士在重庆文理学院（兼职教授、名誉院长）领衔研究材料科学,开启人生第三次创业（第一次创业在西安交通大学参与第一批国家重点实验室建设，第二次创业在四川大学创建稀土纳米材料研究所，第三次创业在重庆文理学院创建材料交叉学科研究中心）。他的办学理念、美学思想、科研方法、创业精神等推动着重庆文理学院的发展。涂院士对材料科学研究有突出贡献，在哲学、管理学、美学等领域也有很深的造诣。《从美学角度看科学与艺术》一文融合科学与艺术的美学观，闪耀着科学家的美学思想，科学中的艺术美（七分科学，三分艺术）、科技工作者要有艺术修养是涂院士教学科研实践的总结；高等教育要打破文理隔绝，做到文理兼修、文理兼备，是涂院士的办学理念。这对于提高大学生综合素质、提高科技工作者的艺术修养都具有重要的指导意义。目前，涂院士正带领一批学者研究科学美与艺术美、科学与艺术对话、不同质的美有相同的表现形式、科学与艺术同行。这些研究将丰富科学与艺术交叉的内容，推动科学与艺术的融合，引领科技工作者提高艺术修养。我们期待着涂院士的创新科研成果不断涌现。

科学和艺术拥有共同的简洁美、对称美、比例美、有序美、真善美等，科学美中有艺术，艺术美中有科学。现代科技与现代艺术正在互相渗透、互相沟通重新综合为交叉学科和综合艺术。现代大学教育应文理兼修、文理兼备。

美，既是一种客观存在，也是一种主观感觉。艺术家创造心中之美、想象之美，科学家发现自然之美、科学之美；艺术家看银河——气势纵横苍穹，科学家看银河——宇宙和谐统一。科学美、艺术美，皆源于自然之美。艺术家设计、造型追求曲线形、流线型的艺术美，在科学领域也有着相似的美。我国古代太极图有“∽”形曲线美（图1），宇宙中的旋转星系如同太极图一样，也有“∽”型的曲线美，大熊座旋涡星系和银河系平面图都具有多条“S”型或反“S”型旋臂。微观世界也是如此——遗传基因DNA分子双螺旋结构模型亦具太极图的曲线美。科学美与艺术美有着极其相似之处，有内在相关性，两者“碰撞”产生灿烂的火花。

图1 太极图

图2 牛胰岛素分子

一.科学美

科学美，是科学家的思维规律与思维艺术碰撞的火花，是科学家的理性创造与自然美的和谐统一。科学美显示出自然界内在的美，只有具有相当知识水平的人才能欣赏这种美，科学家看星系、宇宙、粒子运动等都蕴藏着美的特质。科学之美，是自然界的合唱队——相反的、极度的和中等的自然之声唱出统一的、多美的音乐，是和谐统一的美，只有热爱科学的人，才能欣赏这种美。科学家爱科学而感到科学的美，科学的美使科学家爱科学。科学家对科学美的追求，支配着科学家的直觉，支配着科学家的科学研究过程，推动重大理论的突破。科学美有以下表现：

科学简洁美。物质运动遵循简单性原理，可以用简易方法完成的事情就不用麻烦的方法去做。科学美表现出从尽可能简单的前提推导出尽可能众多的结论。欧几里德几何学从几条公理演绎推理,建造出富丽堂皇的几何学大厦；质能方程“E=mc2”何等简洁，却表达了物质质量与能量间转化所遵循的规律。这种美就是科学的简洁之美。

科学对称美。金刚石打磨后璀璨夺目，其内在结构犹如金字塔般优美壮观。物质晶体、分子、原子结构对称协调性，牛胰岛素分子结构（图2）的对称性，都蕴藏着科学的对称美。有规律的重复也是对称美，如：元素周期表是对称之美，生物学中DNA双螺旋结构优美的“∽”形、曲线形、流线型也是对称美。

科学比例美。线段AB上的一点C,使AC:CB=CB:AB≈0.618，则C点为黄金分割点。黄金分割表现了一种和谐的比例，颇具视觉美感，将其向科学和艺术领域推广。人体之美，因有黄金分割：成人的肚脐位于身高的黄金分割点,人的眼睛、鼻端是面部长度的黄金分割点，肘关节是臂长的黄金分割点，膝关节是腿长的黄金分割点，等等。

科学有序美。科学家通过科研工作、科研发现，利用图表、公式、原理等，使看似混乱实则有内在规律之美以简洁有序的方式呈现出来，表现科学的有序美,元素周期表、日心说和生物树谱等都是科学有序美的精品。

科学真善美。科学求真，揭示客观的规律；科学求善，满足人们需要。人们在求真的同时也在求善、求美，科学家对真理的追求总是尽善尽美。物理学家何祚麻认为，科学成果的评价标准：一是美学标准，二是学术标准，三是真、善标准。

二.艺术美

艺术美，是客观现实美与艺术家的思想感情的统一，是艺术家按照审美实践要求、审美理想指引、美学规律等所创造的一种综合美。艺术美来源于现实美，是对现实生活和客观世界的提炼和升华，是主观对客观世界的再创造，是真、善、美在艺术作品中的统一。艺术美也有科学美的表现。

艺术简洁美。简洁美——视觉完整、单纯和一目了然，是现代生活快节奏、高效率的要求，“删繁就简三秋树，领异标新二月花”（郑板桥语）。绘画以瞬间包容始末、以局部表现全部，建筑追求简洁、明快，等等，这些都是艺术的简洁美。简单的五线谱表现出人类极为复杂的感情世界,《生日快乐》、《北京欢迎你》等歌曲的歌词、曲调都扣人心弦，舞蹈健美身姿折射出人情物态,等等，这些都展现出艺术的简洁美。《三国》、《水浒》、《西游记》、《红楼梦》四大名著都以最简练的笔墨表现最丰富的内容，都以极少的文字承载着极多的信息，这种文学艺术之美一直受人推崇。艺术的简洁美能够产生良好的功能效用。

艺术对称美。对称美作用于人的视觉，使人在心理上产生美感，是形式美作用于人知觉的体现。我国律诗、绝句中的韵律、对仗、整齐的叠句是对称美，故宫建筑物的分布是对称美，现代建筑艺术、绘画艺术、杂技造型等也展现出对称美。对称图像形象地表现出美感，如蝴蝶左右对称的翅膀、对称的花纹图案等（图3）是典型的对称美。大足石刻、敦煌壁画等，都有不少对称美的造像、造型。

艺术比例美。黄金分割的比例美、和谐美在绘画、雕刻、音乐、建筑等艺术中展现出来，给人以美感。埃及金字塔、巴黎圣母院、埃菲尔铁塔、希腊神庙等的设计都用到了黄金分割，产生了视觉美感。许多画家喜爱画马,因为马前腿纵线黄金分割马的体长——形体美。长方形的长宽之比为黄金分割，黄金比矩形给人以美感。戏剧冲突的高潮和诗歌抒情的高潮置于整个篇幅的黄金分割点，会达到更好的艺术效果。

艺术有序美。艺术家使个人的混乱感受变得有条不紊，从无序中创造有序,从不和谐中创造和谐。艺术规律就是艺术的秩序。音乐中乐奏声、歌声融在一起形成整体、有序的美，室内空间设计表现的有序美（图4），等等，许多艺术作品都包含着有序美。美术通过描绘形象来表达思想感情，如张咏清的作品《梦》（图5），描绘梦中森林——高山——蓝天白云——蝴蝶纷飞……通过丰富的想象，展现出事物的有序美，表达作者对生活深刻的感受与理解。

艺术真善美。艺术有夸张，但原型真实，内容与形式和谐统一，给人美感。地球仪之美，是因为它真实地反映了美丽的地球。不论是个性化的、自由化的艺术，还是技巧性的、理念性的、表现性的、情感性的艺术，只要是艺术创作者用真情实感创造和表达，只要让人在愉悦中产生良好的审美感受，就是真善美的艺术，都使人见而乐之。虚假广告和卑陋技术令人讨厌。通过艺术美传递真善，培养人的高尚情趣，对社会有益。如《诗经》格调高雅、表达的情感真挚，催发读者的美善情感；又如优秀的绘画、书法能够陶冶人的情操，等等。

图3 蝴蝶

图4 室内设计

图5 梦

三.科学美与艺术美的融通

从以上分析，科学和艺术都拥有简洁美、对称美、比例美、有序美、真善美等。科学美和艺术美存在内在的一致性，它们融合创新、创美是理所当然的。数学家的造型与画家的造型领域不同，但异曲同工，可能表现出同样或者类似的美感，一座漂亮的建筑往往是科学美与艺术美的统一……

物质世界不同质的美常常惊人地相似。如：硅纳米复合材料和石墨，其断面表现出美丽的花瓣、花朵图形等；片状石墨的花纹与菊花神似（图6）；水分子结构和晶体电子衍射斑环都有多层同心圆现象，犹如星际空间的美丽；酸蛋白质分子和医学分子结构图表现出五颜六色的环状或链状珠图案，其华丽恰似少女和贵妇颈项上的名贵项链或者珠光宝气的饰品（图7）。这些不同质的物质展现出相似的美，就是因为科学美与艺术美是融通的。

科学美也有的极具艺术性，恰如艺术家创造的艺术品。如：C60分子结构图颇像一只足球（图8），硅纳米材料图形多像一株株绽放的蒲公英（图9），二氧化硅纳米丝的美丽犹如朵朵向日葵（图10），神经细胞的显微图片也让人想到阿娜多姿的花卉（图11）。这些事物内在的美通过具有相当认识水平的人艺术地表现出，从而使简洁的形式富含深厚的理性美，是理性美与形式美的统一。

科学美是理性指引和创造的结果，艺术美是感性引导和创造的结果。但在美的形式、美学内涵、审美感受、美的功能等方面，它们是相同的。如：蛋白酶分子的结构彩图犹如优美的舞姿，高分子结构图犹如漂亮的舞蹈造型……

科学中存在艺术之美，这种美需要人们去发现、去发掘。歌德巴赫猜想的美引无数数学爱好者尽折腰——数学爱好者跃跃欲试破解此题，高智慧的数学研究者不断改进方法攻克难关。如此吸引人的就是歌德巴赫猜想的表述简洁、明快的艺术美。如此之美的还有杨晖三角形、三角函数关系正六边记忆法等，都是艺术与科学融合的美。

中医学是医学科学与文学艺术的结合：中医将物质世界归纳为金、木、水、火、土等五种元素，将五种元素的相生相克形象地比拟为人体五脏之间、五腑之间、脏腑之间的内在关系，由此产生五行学说、脏腑学说等，形象地、艺术地表达中医的科学内涵。张咏清美术作品《生命》（图12）描绘：火热的太阳烤得山石欲燃、晒得沙土欲焦，在火热的沙漠里一珠葱绿的植物顽强地生存着，艺术地反映了沙漠植物生存的科学性。

科学诉诸人的理智，艺术诉诸人的感情。科学和艺术相互渗透，产生新的思想火花。艺术的直觉、想像启发科学发现与技术发明，科学技术的提高促进艺术形式的发展。科学和艺术都展现宇宙、自然和社会的和谐运动。科学和艺术的融合，协同人的认知功能，是科学家进行科学探索、科学发明的需要。科学创造和艺术创造都需要审美想像，想像是科学创造和艺术创造共同需要的。科学家对科学充满激情、充满想像，严肃、冷静的科学研究，既有科学思维，又有审美欣赏。爱因斯坦在通过音乐了解作曲家的探索实质的同时，他还勾勒出自然界的宏伟蓝图。科学研究要有科学与艺术的综合，要有深邃的想像和大胆的猜测。科学家的想像过程，包含着审美过程，知识有限，想像无限。詹姆斯·沃森（1960）在梦中看到DNA双螺旋结构模型（图13），是艺术般的联想与想像促成了他伟大科学成就。

图6 菊花与片状石墨

图9 硅纳米材料

图7 酸蛋白质分子与医学分子结构

图10 向日葵与二氧化硅纳米丝

图8 C60分子结构

图11 花卉与神经细胞

四.结语

科学知识会产生额外的美。要发现这种美，就要有渴求科学的激情；要表达这种美，就要讲究艺术。科学和艺术在高水平上“合流”，七分科学融合三分艺术创造十分完美的科学美，科学内容没有艺术美的形式表达就不会深入人心。科技工作者要有文学艺术修养、要有真善美美德，“科技与人文结合，治学与修身相融”（朱光亚语）。高等教育应对学生进行科学美与艺术美的教育，打破文理隔绝，文理兼修、文理兼备，提高学生的综合素质。

重庆市高等教育教改重点项目（项目号：渝教高【2007】<24>）

致谢：董祥忠教授为本文提供了部分图片，谨致谢意！

图12 生命

图13 梦中DNA