物理学中科学思维与艺术思维互补及其启示

李 艳，丁亚玲

（四川工程职业技术学院 a.学报编辑部，b.基础部，四川 德阳 618000）

世界在我们面前呈现出无数的现象：精确严格，混沌奔放……这是科学家和艺术家灵感产生的源泉。灵感引发创造，继而凝结为人类文化成果的主要方面——科学与艺术。

很长时间以来，学术界一直是在文化的两个“极点”上看待科学与艺术，认为它们代表着两种不同的智慧，占据着不同的领域。说科学一定是严谨、逻缉、合理的；谈艺术则必然飘逸、悖理、甚至不合乎情理。但是，几千年科学与艺术的发展，尤其是近现代历史告诉我们，此看法有失偏颇。

一、科学思维与艺术思维具有共同的创造本性

科学离不开思维，这种思维是抽象的、并按照一定的逻辑线条展开的，即我们常说的逻辑思维。如果用图示的方法表示，应有规则的几何形状。艺术也需要思维，但它是天马行空、直觉的产物，即形象思维。如果也用图示的方法，一定是轻快飘逸的谱线或流动变幻的云彩。

（一）科学创造中逻辑思维的局限

不错，科学确实需要逻辑、需要抽象，但逻辑思维决非完美无缺。对逻辑悖论的产生和历史考察表明，逻辑思维有局限性。如：中国古代“白马非马”的争论，古希腊“运动员永远不能到达目的地”、“阿基里斯追不上乌龟”等悖论。此结果的出现，既与人类逻辑思维发展历史水平的限制有关，也有古人推理方式片面性的原因。但另一些有名的悖论，如：“说谎者悖论”和“罗素悖论”等，则表明逻辑思维是有“度”的，也即，存在着无数的用逻辑推理永远不能解决的问题。

（二）艺术创造需要思考和陈述

艺术是情感的产物，其表达更多与形象有关。但艺术家在对形象进行塑造与加工的过程中绝不仅只是幻想，逻辑思维起着重要的作用，尤其在现代艺术中。如西方当代立体主义、未来主义等，大量抽象化的绘画都试图在结构上寻求情绪和思维的通道。立体主义在不经意间对狭义相对论的绝妙解读，不正如古希腊哲学家看到音乐和数学的统一？对此，波兰当代著名音乐理论家丽莎说：“谁也不能否认，作曲家在创作自己的作品时不仅是沉浸在音乐的幻想中，而且也在思维，将表象同整个客观现象通过语言连接起来。”[1]302她这里所说的语言不仅指构成作品的“技术语言”，而且指作品内容的特定“思考和陈述”。

二、物理学创新中科学思维与艺术思维的互补

物理学既是自然科学的基础，同时又是科学发现的主体，其创新能力和水平直接影响着科技进步和经济的发展。总结近代以来的科学实践，可以说大多与物理学有关，如相对论、量子力学等。爱因斯坦、玻尔等科技前沿的物理学家们，以他们天才的思考带来了物理学史上最具创造性的成果。

（一）玻尔的互补原理

纵观整个物理学的发展，可以发现，任何一次的创新活动都大量充斥着创造性思维。对创造性思维的正名，玻尔功不可没。这就是1927年，为了解释实验中发现的微观粒子波粒二象性问题，玻尔提出了互补性原理。

无论仪器多么精密都不可能同时淮确地测定粒子的位置和速度。实验者愈是为了准确测定粒子的位置而限定它的坐标，粒子发生绕射时速度的相对改变就愈显著，也就是说粒子的速度就愈不确定。海森堡把这种现象概括为“测不准关系”。对此玻尔的解释是：“用一种仪器同时准确测定这相互排斥的两个方面是不可能的，我们应该把仪器的测量分为两类，即速度和位置。应当把两方面测量所得到的结果互相补充才能得到关于粒子运动的完全认识。”[2]112

玻尔为了解决现代物理学观测中主客体相互纠结的二难问题，以互补性原理的提出寻求到了一种逻辑上两极相通的方案，这也标志着科学思维方式的变革。1928年，以绘画怪诞著称的比利时画家玛格丽特推出巨著——《巨人时代》，画面上一矛盾的组合体：你几乎无法分辨是男人还是女人，是遭袭还是被袭……用今天量子理论的眼光来看，应该是画家在无意识间揭示了艺术创作中逻辑思维在不同层次的动态缠绕所形成的怪圈式结构，更是以绘画的方式巧妙地解读了玻尔的互补性原理。

（二）物理学创新中科学思维与艺术思维互补的理论与事实

创造性思维中要科学思维，也要艺术思维，这在物理学发展历程中既有理论又有实践，还有来自心理学的支持。

1.理论

彭加勒将创造性思维过程总结为“三段论”。

第一阶段：提出问题并力图调动已有的知识去解决问题，这是对思维中的知识单元进行激活。彭加勒称其为有意识阶段，该阶段一直不停地处在动态演变中，直到出现某种新的结构。第二阶段：人的下意识在第一阶段有意识思维的引导和推动下进入活跃的运转状态，主要是凭直觉的和谐感对已有知识单元的各种可能组合作出选择。彭加勒称其为“无意识的自我”，它能够识别，而且机智、敏感，甚至比有意识能更清楚地知道如何凭直觉来推测。第三阶段：再次回到有意识状态，主要是证明、检验灵感的结果，按照严格的运算法则推出它们的结论。

三个阶段，第一和第三是我们熟悉的逻辑思维，唯二阶段特殊，这种无意识其实就是有意识的逻辑思维链条中断，通过下意识活动作出种种组合方案。组合的数目很多，但大量是无用的，或者是过于麻烦的。什么样的组合有价值和可取呢?经验证明，那些从直觉上给人以最大和谐感的组合一定是最优化的。这种组合一旦出现，下意识的审美直觉就能立即将它们挑选出来。这时，出现某种灵感或偶然性的东西。接下去的工作又交还给有意识，即逻辑思维去完成。

一个大的“三段论”又由许多小的“三段论”链条连成。也就是说，一个重要的物理学理论的建立和科学概念的形成都要经过许多这样思维的“小循环”，而后形成一个思维的“大循环”。即科学与艺术思维交替、互补。

2.实践

以物理学中电磁场概念和理论的形成为例：

1820年奥斯特发现电流磁效应，引来无数物理学家对电流和磁体间相互作用的思考，思考是有意识的，对于目标的寻求也是理性的,属“三段论”的第一阶段。在没有得到和谐统一答案之前，物理学家们各自的思维呈自由和虚构状态，下意识活动作出种种组合方案。因可能方式太多，故不同的研究者在各自无意识的活动中，会提出不同的假说，即进入“三段论”的第二阶段。

奥斯特将他的发现称作“电的冲突”，且冲突“散布得相当广”；安培则描述为“中心力”；沃拉斯顿解释成“一团团圆形的流体”……各种假设加上牛顿那广为传播的“超距作用”在法拉第的脑海中如过电影一般。反复琢磨、组合、尝试和选择，法拉第经历了一段艰苦的寻觅期。

首先是“超距作用”。当时的物理学家们普遍认为，力的传递是瞬时超距的，即：物体间的相互作用不论传递多远都不需要时间。但库仑后来的反映电荷相互作用的库仑定律却对此提出了挑战。库仑定律的形式和牛顿万有引力定律如此相似：与电荷所带电荷量成正比，与距离平方成反比……法拉第在对当时有关电磁作用的各种假说逐一进行类比和排查时，下意识里突然跳出物质到处存在，没有不被物质占有的中空地带，因此电力和磁力不能凭空随意传递……[3]381，这样就把超距和非超距统一在了一起。法拉第对他头脑中闪现出的因统一而呈现出美的设想颇感惊奇，继而上升到颇为满意，遂提出“场”的概念。他写道：磁作用的传播需要时间，也就是当一块磁铁作用于另一块远处的磁铁或者一块铁时，产生作用的原因是逐渐地从磁体传播开去的。[3]383。

怀疑“超距观念”，摧毁旧学说，需要新的武器，法拉第继续组合各种假想，又找到一武器——“力线”。

“力线”虽是人为引入，但可以用来描绘“场”的物理性质。循着“力线”的空间分布，观察者会发现，任一有电荷或磁极存在的周围空间都存在有“场”这样的物质，它们无形无样，随“力线”的散发向各方向分布出去，而“力线”的起点则是电荷或磁极本身。

法拉第订书匠出身，没有受过高等教育的严格训练，所有创见都是基于直觉的审美判断。他自知自己的数学能力有限，但又深信直觉的正确性，便把自己的新观点写成一份文件存放在英国皇家学会。至此，“第二阶段”结束。

这份文件很快被年轻的麦克斯韦读到，麦克斯韦被书中新颖的实验和见解吸引了。经过认真研究，麦克斯韦看到了法拉第定性表达的不足，领悟出“力线”思想的价值。电流周围存在“力线”这一猜想，被纳入到麦克斯韦严密的数学推理中。一年后，麦克斯韦发表发表惊世之作——《论法拉第的力线》。

在法拉第的启发下，麦克斯韦通过分析法拉第对电介质的研究，确认在电场变化着的电介质中，也存在电流，命名为“位移电流”。在计算出位移电流的速度正好等于光速基础上，推导出两个高度抽象的方程式——麦克斯韦方程组。他在第二篇电磁学论文《论物理学的力线》中，对这一切进行了详述。

三年后，麦克斯韦根据这组美妙的方程，推导出电场和磁场的波动方程。根据计算，这个“波”的传播速度，恰好等于光速，电磁波的存在确定无疑。一切努力均化作麦克斯韦第三篇电磁学论文——《电磁场动力学》。

“三段论”的第三阶段，以电磁现象的规律被麦克斯韦用不可动摇的数学形式揭示出而宣告结束。同时，这里也展现出电磁现象的内在和谐美。更后一些时候，赫兹对此作了关键性的实验验证。

3.来自心理学的支持

人的知觉有一种追求简约、完美的倾向，这在艺术思维中表现得特别明显，最突出的是儿童画和早期的原始艺术中。追求抽象、概括的式样进一步表明了人的天性。当儿童用他那双“无偏见的限睛”，即不受任何人为控制的眼睛观察对象时，大脑中映射出的几乎是符号化的“意象”①。头是个圆，眼睛、鼻子、嘴巴是更小的圆。躯干乃长方形，甚至简化为一条直线，手臂与身体垂直，两条腿则画成两根直线……[2]131，一切都简化到不能再简化的程度。

简洁、完美的形总是给人一种舒适、愉悦的感觉，即追求完美、和谐是人的知觉固有的倾向。与物理学中平衡为物体存在的最佳状态一样，人在心理上也总是最大限度地追求平衡。而对于非简洁、规则的形，经验告诉我们它会造成一种紧张，而这种紧张则又是进取和追求的内在张力。当法拉第视野里关于电磁作用，出现了诸如奥斯特、安培、沃拉斯顿等的所谓“电的冲突”、“中心力”、“一团团圆形的流体”等说法时，这些假说间的关系是不规则、不对称甚或无组织的，但却因此对法拉第产生了更大的刺激和吸引力，唤起法拉第对电磁现象研究的好奇和注意。很快，这种注意和紧张转化为积极地组织、创造。一旦“场”的概念出现、“力线”被引入后，开初的紧张消失了，原先的那种紧张感转化为和谐的美感。“他有种预感：自己已经走到真理的边缘，只要再向前跨一步，成功就属于自己的了。”[3]335

现代脑科学发现了人的大脑有三个基本的机能联合区：保证调节紧张度或觉醒状态的联合区；接受、加工和保存来自外部世界信息的联合区；制定程序、调节和控制心理活动的联合区。[4]10爱因斯坦之所以能在多数场合下不凭借概念也能进行科学思维，正是相应的大脑物质区域发挥了同整个脑系统活动相协调的潜在功能的结果。也说明了科学思维和艺术思维在高层次思维活动中的有机配合。

由此可见，在物理学创新的过程中，科学思维的严密、实证和艺术思维的自由性是相互交织、相互融合的。有逻辑性的思维推动着下意识的直觉、猜想和审美思维。想象、直觉和灵感等的作用是对原有思维框架的突破。同时，直觉的创造又依赖严格的逻辑予以规范化，成为通常意义上的科学发现。彭加勒和玻尔对此都有论述：“科学思维在一定阶段只有暂时放弃逻辑分析，而‘弹奏全部感情之弦’，才有利于在科学的实证性和艺术灵感的神秘性之间建立和谐，从而调动我们智慧的全部潜力。”[2]126爱因斯坦也有阐述：“对我来说，毫无疑问，我们的思维不用符号(词)绝大部分也都能进行，而且在很大程度上是无意识进行的。”[5]4

三、启示

玻尔十分强调在物理学创新发现中运用互补性思维，他认为，“当在越来越大程度上放弃逻辑分析而允许弹奏全部的感情之弦时，诗、画与乐就包含着沟通一些极端方式的可能性。”[6]254

玻尔的理论物理研究所里，耐人寻味地悬挂着一幅醒目的中国太极阴阳图。该图作为东方哲学中和谐、统一思想的代表，被现代西方画家奉为抽象派画作的极致。他们一致认为，自然界处处存在着对立因素的相互作用，它们既对立又统一，该图形象地表达了这种和谐关系。

阴阳两极相互缠绕、交替推动，那流动、变化，始终保持不变的整体美，不仅赋予了审美的意义，从物理学角度看，更是完美地诠释了微观世界的粒子图景。因此，同玻尔的互补性思想是相通的。英国当代著名历史学家汤因比这样作结，在中国古老文化中，有着人类在下一世纪中所必须具备的人与自然和谐的、神秘的合理性。中国只要将来能在科学技术方面赶上西方，就可以在融合自己的古老传统和现代科学技术中，创造一种新型的现代文明。[2]116

近代精密科学的兴起和工业技术革命的完成，与欧洲文化传统中注重分析、逻辑和面向客体的思维方式密切相关。由此形成的机械论，在人们向原子世界挺进的过程中成为拦路虎。必然与偶然，精确与模糊同时地呈现出来，进而在亚原子水平，粒子的机械可分性被彻底动摇。打破机械论，粒子物理学中的超弦模型、靴袢模型与中国的阴阳太极图所描绘的自然图景更为相似。粒子的结构包含两极对立而又结合，在整体上，又是一个粒子。如果它们无限地膨胀开，又足以演化出一个宇宙。这种略带神秘性的景象，只有在东西方自然观结合的境界中，才能构想出来。[2]115

具有互补关系的事物，在自然界、社会和思维领域中广泛存在。可以认为玻尔对“测不准关系”的解释是哲学式的。撇开量子理论，互补性原理道出了人类文化知识的统一和不同思维方式间的交融。精确、模糊；分析、整体；逻辑和直觉……偏废任何一方都会带来对世界图景认识的不完善，欲完整地理解世界只有让这些看似彼此对立的思维彼此补充、相互融合。玻尔也因为互补性思想而踌躇满志，他说：“按照一种颇为相似的办法我们可以正确地说不同人类文化是彼此互补的。事实上每一种文化都代表传统习惯之间的一种和谐的平衡；利用这种平衡，人类生活的潜在能力在一种方式下表露出来，以使我们认识到它的无限丰富性和无限多样性的新的方面。”[6]254

每一种充满活力的文化都应当在开放中实现融合，完全自足的文化是难以存在的。互补与融合促使人类知识走向统一。

达到人类知识统一的渠道之一乃消除科学和艺术间的隔绝。科学也好，艺术也罢，二者结合是指向真理的最佳路径。科学中可以有艺术形象，艺术也应该在严密的逻辑框架下领悟世界的本质。即，科学与艺术的统一是人类文明走向大一统的基本要件。

玻尔逝世的前两年，他从人类知识、人的智慧以及世界不同地区、不同民族文化融合的意义上进一步发挥了互补性思想。

四、结语

科学和艺术的极致境界里，两者浑然一体，上升为有关自然和人生的哲学。

因此，伟大的科学家和艺术家往往又是一位哲学家。像物理学家不断从观照这世界中发现自然本质一样，艺术家在自己的观照中思索并发掘了人类情感的本质。在二者和谐共存的文化视野中，站在科学塔尖上的物理学家，他的思索已变为哲学式的，因为他的一只脚已不自觉地踏进了艺术的领地。反之亦然，艺术家在不断的艺术创新中，不小心撞上了科学，距离发现永恒的美，产生最壮阔、深厚情感，凝结出古今流传作品的时候也就不远了。

注释：

①意象，是相同大脑的一定生理过程和特定部位相对应的信息贮存，在有外界刺激作用的情况下或在有意识的激发下的心理复现。