科学与艺术对于科普工作的意义

王 恒

近来人们对科学和艺术的关系，以及它们之间的相互作用展开了讨论。这是一个很好的开端。科学和艺术是人类生存、发展的重要支柱，是解决人类各种问题的最根本的源头，调整好二者之间的关系尤为重要。

笔者长期从事科普工作，只能从自己的视角观察和理解科学和艺术之间的关系，所谈内容不过是一孔之见，敬请批评指正。

一、 科学与艺术都来源于实践

很多人认为，科学和艺术是在不同轨道上行驶的列车，是很难相会的。即使有人认为科学和艺术是有交集的，也说不清楚它们为什么会有交集。其实，科学和艺术不仅有交集，而且是“孪生兄弟”。旧金山探索馆创立者弗兰克·奥本海默(Frank Oppenheimer)认为：“艺术家和科学家都在观察自然，艺术家是表现自然，而科学家则通过观察、实验发现自然的本质。”[1]由此可见科学和艺术是同源的，它们都是来自大自然的恩赐。当然，社会现象也会引起科学家和艺术家的观察和思考。

虽然科学和艺术都是来自大自然和社会的恩赐，但它们并非自然产生，而是通过人类辛勤的活动取得的，也就是通过实践取得的。科学发明、发现是通过实践得到的，毛泽东同志说：“你要知道原子的组织同性质，你就得实行物理学和化学的实验，变革原子的情况。”[2]276艺术成果也是通过实践形成的，毛泽东同志说：“作为观念形态的文艺作品，都是一定社会生活在人类头脑中的反映的产物。”[2]862

总之，“只有人们的社会实践，才是人们对于外界认识的真理性的标准。”[2]273

实践过程中，人们首先产生了感觉和印象，这样的东西反复多次，就会在在大脑里产生概念。概念抓住了事物的本质，形成科学。科学家通过观察、实验发现自然内在的规律形成了定律和法则，成为人类与自然和谐相处并改造自然的依据。艺术也是如此，通过对自然的反复观察、反复验证就会达到艺术的最高台阶：表达哲理，陈述世界。

无论是科学还是艺术，在实践的过程中都要进行由此及彼，去伪存真，由表及里的思考和形成概念的过程。在这个过程中，人的大脑起了重要的作用。恩格斯在《劳动在从猿到人转变过程中的作用》一文中告诉我们：“由于手、发音器官和脑的共同作用，人才变成有能力来进行更复杂的活动和有能力来提出和达到更高的目的。”[3]143人们创造出很多行业，如农业、纺纱、织布、冶金等。“最后出现了艺术和科学。”[3]4所以说，科学和艺术就是人类在实践中提出并希望达到的“更高的目的”。

现在人们对大脑的研究认为，人类的左脑倾向于逻辑思维，右脑则倾向于艺术思维。如果左脑发达，适合做工程师、自然科学家、数学家，右脑发达则适合做音乐家、作家或者画家。然而无论是从事逻辑思维的左脑还是从事艺术思维的右脑都长在同一个人的头上，无怪乎人类历史上出现过许多既是科学家又是艺术家的大师。

达·芬奇(Leonardo da Vinci)是画家，他的名画《蒙娜丽莎》千古流传，然而他也是一位科学家。在物理方面，他发现了液体压力的概念，提出了连通器原理；医学方面，他被称为近代生理解剖学的始祖；军事方面，他设计了簧轮枪、子母弹、三管大炮、坦克车、浮动雪鞋、潜水服及潜水艇等。因此，他不仅是一位艺术大师，同时也是一位出色的科学巨匠。

摩尔斯(Samuel Finley Breese Morse，1791年4月27日—1872年4月2日)从小就喜欢画画，学成后以画肖像画为生，成为职业画家。这个毫无电学知识的画家，经过潜心努力发明了摩尔斯电码，这是他的第一项发明，于1839年发布。电报就是运用摩尔斯电码来传递信号的，1844年摩尔斯从华盛顿州向巴尔的摩拍发了人类历史上的第一份电报。

科学和艺术的发展还需要财富的积累，恩格斯在《家庭、私有制和国家的起源》一文中痛斥了资本主义掠夺财富的卑劣手段之后，也提出了财富在科学和艺术发展方面的作用：“如果说在这个社会内部科学曾经日益发展，艺术高度繁荣的时期一再出现，那也不过是因为在积累财富方面的现代一切成就不这样就不可能获得罢了。”[4]

二、 科学与艺术服务于社会

自然和社会现象、实践、头脑、财富是科学、艺术的源泉和发展基础。科学家创造物质财富，艺术家创造精神财富，他们都归宿于服务社会。

黄河是中华民族的母亲河，是中华民族的摇篮。当光未然屹立在黄河边，看着那汹涌的波涛，一泄千里奔腾而去的黄色激流，看着黄河船夫在浪涛中奋力前行的身影，听到那铿锵有力，催人奋进的黄河船夫号子，他的心中也同样汹涌奔腾。面对日寇侵略，国难当头，他发出了怒吼：“风在吼，马在叫，黄河在咆哮！”由光未然作词、冼星海作曲的《黄河大合唱》就此问世了。《黄河大合唱》是全中国人民抗击日本侵略者精神力量，向全世界人民展示了中国人民抗日的勇气和决心。激昂的歌声很快传遍全世界，这是艺术家爱国的最高境界。

毛泽东同志的《在延安文艺座谈会的讲话》一文告诉我们：“文艺就是把这种日常的现象集中起来，把其中的矛盾斗争典型化，造成文学作品或艺术作品，就能使人民群众警醒起来，感奋起来，推动人民群众走向团结和斗争，实行改造自己的环境。”[2]863毛泽东同志在这里指出文艺是解决人民群众精神世界方面的问题。由此可见艺术家解决的是精神世界方面的问题，创造的是精神财富。

当水利专家黄万里站在黄河边上，他看到的是黄河泥沙滚滚，水土流失，这将给国家和人民带来巨大的灾难。黄万里经过多方考察和研究提出了《对于黄河三门峡水库现行规划方法的意见》，对防洪方法及下游的防洪问题阐述了自己的看法。他认为三门峡建坝不可行，水库建成后很快将被泥沙淤积，结果是将下游可能的水灾转移到上游，成为必然的人为灾害。同时黄河下游河床的造床质为沙土，即使从水库放出的是清水，也要将河床中的沙土挟裹而下，黄河仍然不会变清[5]。

毛泽东同志在陕甘宁边区自然科学研究会成立大会上说：“自然科学是很好的东西，它能解决衣、食、住、行等生活问题，所以每一个人都要赞成它，每一个人都要研究自然科学。”[6]衣、食、住、行等生活问题就是物质方面的问题。可见科学家解决的是物质世界方面的问题，创造的是物质财富。

无论是科学家还是艺术家，他们工作的成果如有用武之地，必然是服务于社会的，是为人民服务的。因此，科学家和艺术家都是人类社会发展的中流砥柱。

三、 科学与艺术相辅相成，相互影响

科学的发展有时候是被艺术推动的。14—17世纪在欧洲发生了一场反映新兴资产阶级要求的思想文化运动，史称文艺复兴(Renaissance)运动。欧洲的文艺复兴，顾名思义是一个文化艺术的复兴运动，却同时成为了近代自然科学的起点。“近代自然科学，就像整个近代史一样，是从这一个伟大时代算起，这个时代称之为文艺复兴。”[3]一场文艺复兴运动，却成了伟大科学时代的起点。不得不说科学和艺术是相通的，它们的相通是在思想的深处。

2000年，1989年诺贝尔物理学奖获得者，德国物理学家汉斯·德默尔特(Hans Georg Dehmelt)应笔者之请为中国青年题词，内容只有一句话：“去读歌德的《浮士德》吧！或许你会对科学产生兴趣。(Science might appeal to you. To find out read Goethe’s Faust.)”

《浮士德》(Faust)是德国著名诗人、剧作家、思想家歌德(Johann Wolfgang von Goethe，1749—1832)创作的长篇诗剧，它反映了从文艺复兴到19世纪初德国进步的、科学的力量与反动的、神秘的力量之间的斗争。《浮士德》中没有科学研究的具体方法，它对科学家的影响是潜移默化的，很大程度在思想上影响科学家的思维方式。这也许就是汉斯·德默尔特把《浮士德》推荐给中国青年的原因。

有人说：艺术家的思维方法是形象思维，科学家的思维方式是逻辑思维，其实并不尽然。科学家的工作往往是从一个猜想开始的，然后才是科学论证。也就是说科学创新的思想火花是从不同事物的大跨度联想开始激活的。而这正是艺术家的思维方法，即形象思维。

法拉第(Michael Faraday)在研究电磁现象时，提出了磁力线这一概念。此概念既不是逻辑推理得到的，也不是科学论证得到的，是法拉第通过形象思维得到的。一开始很多科学家对此都不认可，此后的历史证明这一概念对电磁学的发展大有用处。

艺术对科学具有极大的启发作用。德国物理学家海森堡(Werner Karl Heisenberg)受音乐理论中泛音振动的频率是基音振动的整倍数的启发，做出了原子跃迁的基频与次频的实验[7]；英国化学家纽兰兹(John Alexander Reina Newlands)受音阶的启示而发现了原子递增的规律从而创造了“八音律”表[8]。

科学对艺术的影响也是巨大的。以雕塑为例，其发展很大程度依赖材料科学的进展。古代艺术家只能用陶土制作艺术品，随著铜、铁冶炼技术的出现，艺术家可以制作各种铜和铁的艺术品，也可以用铜、铁制作的工具制作各种艺术品，如石雕，开辟各种洞穴、石窟。现代，各种新型雕塑材料和工具层出不穷，雕塑作品五花八门。雕塑材料、雕塑工具都离不开科学的发展。其他艺术门类也是如此。

科学对艺术的影响是多方面的，更重要的是思维方式和世界观的影响。有时候艺术家也要采用科学家的思维方式。小说家、戏剧家在编写小说、剧本时都要采取逻辑思维的方式，否则故事情节就会违背事物发展的普遍规律。

科学家和艺术家是可以成为朋友的，他们的友谊不仅可以丰富精神生活。对于事业发展也很重要。

安徒生(Hans Christian Andersen)和奥斯特(Hans Christian Ørsted)就是这样的朋友，一个是世界著名的童话作家，一个是发现了电流磁效应的物理学家，他们经常就当时的技术发明、科学在艺术中的地位等问题交流看法，互相影响，互相启发。

安徒生的作品深受奥斯特自然观的影响，他于1853年发表了一篇类似科幻小说的童话《千年之后》，其中居然预言了飞机的发明和英吉利海峡海底隧道的兴建。奥斯特则尝试创作诗歌与散文，有组诗《飞艇》等作品问世。

他们有时也有争论。奥斯特主张，诗的表现绝对不能偏离科学事实；安徒生则认为，诗歌要从自然和科学中汲取灵感，而不是机械地描摹现实。奥斯特谴责任何迷信思想和行为，而在安徒生的童话中难免出现女巫和巫术之类的东西。当然，这并不影响他们的友谊[9]。

艺术家要懂一点科学技术，不能是“科盲”。这主要不在于科学方法，而在于世界观。要成为艺术大家，不懂一点科学不行。因为科学技术是当今世界的重要组成部分。一个文明高度发达的国家无处不存在科学，无处不存在艺术。艺术家只有懂一点科学，才会有一个正确的世界观，才会对社会有一个正确的认识，然后才能创作出既符合时代精神又具有历史价值的文学艺术作品。从这个意义上说，艺术工作是先科学而后艺术的。

科学和艺术是相通的，造诣深厚的艺术家即使不懂科学，只要认真观察大自然，他的作品也不会违反自然规律。

很多人都读过李白的诗《望庐山瀑布》，诗的首句是“日照香炉生紫烟”。香炉峰真会生紫烟吗？是不是诗人看花了眼，做了牵强附会的描写？这一描述得到1904年诺贝尔物理学奖获得者，英国物理学家瑞利的证实。他的“瑞利散射定律”告诉我们，散射光的强度与微粒的大小有关。当香炉峰瀑布产生的水雾微粒直径和紫光的波长大致相当时，散射光中紫光最强。由此可见，“日照香炉生紫烟”是庐山香炉峰景色的真实写照。

王之涣的诗作《登鹳雀楼》最后两句“欲穷千里目，更上一层楼”是对现实景观有感而发的感悟，从而成为千古传诵的名句，被作为追求理想境界的座右铭，遗芳千古。“欲穷千里目，更上一层楼”反映了只有登高，才能望远这样一个事实。为什么会是这样呢？因为地球是一个球体。王之涣当然不知道地球是一个球体，他的诗真实地描述所看到的情景。这一准确描写背后的科学事实已被麦哲伦的环球航行和人造地球卫星、进入太空的宇航员的观察所证实。

四、 科学和艺术相结合是科学普及工作的基石和生命线

所谓科普就是用一般人能够理解的方式说明科学原理，艺术是其中最合适的方式，因为艺术采取形象思维的方式，因此也是最直观的。

“许多人常常歪曲了科学的形象和科学的运作方式。他们把科学教育狭隘地局限于科学定律、概念和理论，致使青年人对科学产生神秘感和枯燥感。”[10]因此增加科学普及教育中的艺术性就是一个引人注目的问题了。

凡是成功的科普作品必定是用最合适的艺术形式完整地解说了科学原理。笔者长期在科技馆工作，首先希望以科技馆展品为例说明这个问题。

科技馆在设计展品时，要考虑科学因素和艺术因素，这是展品必备的两个因素。科学因素是展品的灵魂，这是我们要告诉观众科学道理。而如果没有艺术因素，展品就没有趣味性，也会不通俗，观众既看不懂，也引不起观众的兴趣。可见展品的智力因素和艺术因素是相辅相成的。

以展品“车轮与轨道”为例。火车能够拐弯，这一现象背后大有学问。火车在弯道上行进时，由于弯道有弧度，内外轨道长度就会不同。这样一来如果火车内外车轮的直径一样，火车不是出轨，就是轮轴被扭断。火车能够安全运行，全在它的车轮可以自动调节直径。这件事看起来不易实现，但是设计车轮的人却想出了一个很好的办法，将车轮的边缘做成斜坡，而且两个车轮之间的距离比轨道稍微大一点，火车拐弯时就可以自动调节车轮的直径了。

这样一个人类智慧的发明，如何变成科学中心的展品？把火车搬进科学中心这当然不可能；做一个小的火车模型当然也是一个办法，但是没有突出重点。设计者对此想出一个很好的办法，让几根不同形状的木棍在一条弯曲的轨道上(双轨)滚动，木棍有直的、两头尖的(纺锤形)，还有中间细两边逐渐变粗的。观众在实践的过程中发现，最终只有纺锤形的木棍可以通过弯道。其他形状的木棍，一滚到弯道就会出轨。

这个展品是从火车车轮和轨道演化来的，它去掉了火车车轮和轨道的使用功能，但保留它们的科学原理和实践过程，增加了参与性和趣味性。让不同形状的木棍在轨道上滚动，通过对比突出科学内容，增加了实践性和参与性，对比也具有趣味性、直观性、艺术性。

再看另一个展品“怒发冲冠”：这个展品是从实验室的仪器“范德格拉夫静电发生器”演化来的。“范德格拉夫静电发生器”原来是实验室获得高电压的仪器设备，演化为展品“怒发冲冠”，保留了产生高电压的原理和高电压的一些性能(实际上是高电压低电流的性能)，去掉了提供高压为实验室使用的功能。转化的关键是去掉了它的使用功能，在保留产生高电压的原理的同时使高电压低电流的性能找到了新的发挥的方面，使与高电压接触的人的头发竖起来。当你看到留着披肩发的女士，手扶展品的圆球，头发蓦然而起，飘逸而挺直，你难道不觉得这是令人陶醉的艺术美吗？这个有趣变化产生了艺术性，展品“怒发冲冠”不会请光头的人参与，因为光头不可能怒发冲冠，没有直观的艺术性，展品的科学性也就不会有人注意了。

奥本海默在总结科技馆展品必须具有科学性和艺术性时说：“科学和艺术是一个事物的两个方面，科学家和艺术家是从不同的方面来观察世界，如果能从这两个方面同时了解事物，将会建立一个全新的观念，更能激发观众认识事物的深度和广度。科学和艺术的结合会使展品更具有趣味性，更能引起观众的兴趣和思考。”[11]

探索馆展厅有一幅很有意思的画，一个站在悬崖边上的人举起石头准备向扑来的狗熊投去。画的下面有一行文字：举起石头的人，该不该投石头？这是一幅说明牛顿第三定律的画，不投石头可能被狗熊咬死，投石则会因为牛顿第三定律而被推下深渊。一幅漫画把牛顿第三定律解释得清清楚楚，而且生动有趣。

传说故事有时也能把科学原理讲得明明白白。赵州桥是世界上现存的最古老的拱桥，其中的科学原理被一个民间传说描述得出神入化。传说赵州桥是鲁班修的(实际是隋朝人李春修建的)。桥刚造好，张果老骑驴，褡裢里装有太阳、月亮，柴王爷推着放有“五岳名山”的小车，两人一起上桥，想把桥压垮，还故意在桥边缘走，桥晃起来。鲁班见势不好，急忙跳入水中，用手在桥东侧使劲推住，桥才免于压垮。桥上留有车道沟和驴蹄印，拱圈下留下了鲁班的手印。这是一个颇符合力学原理的传说。石拱桥的边缘承重能力比桥中央差。桥面上的车道沟和驴蹄印等“仙迹”(实为人工制作)都在桥边缘，它提示人们“仙迹”是行车外缘的界限，车辆应在桥的中央通行。“仙迹”手印是受力大的地方，它启示人们，万一桥发生裂痕，可以在手印处用木柱支撑，以便从容修理[12]。

任何艺术形式都可以用来诠释自然现象、科学规律。因为自然现象、科学规律的内在变化本身就具有“戏剧化”的特性，这是人类在认识客观世界中曲折道路的反映，它既具有客观性，也具有艺术性。

艺术性在科普作品中的作用是加深人们对科学概念的理解。对科学概念、科学事件认识得深，艺术创作便会更加生动活泼，引人入胜。

科学普及既是科学家的工作，也是艺术家的工作，随着科学普及工作的发展，它很可能成为科学和艺术相结合的桥梁。

五、 结语

随着社会的前进，科学和艺术飞速发展，科学和艺术之间的相互影响日益加深，科学和艺术之间的隔阂也渐渐消失。也许有一天，科学和艺术将会成为一个完整体的两个侧面，它们既有区别，又是一个整体。到那时，同时是科学家和艺术家的人会越来越多，身兼二职已成为一种常态。

古希腊神话中，有一位智慧女神名叫雅典娜，她对森林中的阿里安德妮说：“挽起你的弓吧，向相反的方向各射出一支羽箭。当他们在飞行中相交的时候，世界就不是原来那个样子了！”

科学和艺术这两支羽箭，也许在不久的将来就会在飞行中相交，那时我们的世界将呈现怎样一番景象啊！