科学之路上的真与美
史晓雷
2017年09月08日
8月美国上空上演的那一场壮观的日全食，让现场观看的民众、科学家、网上看直播的观众、事后欣赏精彩照片的网友无不啧啧称奇：太棒了！太美了！
“科学与美”这个话题，论者无数，就连许多一流的科学家也对此充满兴趣，发表了不少真知灼见。著名的印度裔美籍物理学家、1983年诺贝尔物理学奖获得者钱德拉塞卡就这个主题作过多次演讲，后来结集成《真与美：科学研究中的美学和动机》。这本书探讨了科学家和艺术家在对追求美的道路上不同的创造模式，比如他专门对比了莎士比亚、牛顿和贝多芬的异同。
杨振宁先生也就此主题发表过不少精到的看法，他认为物理学存在三种美：现象之美、理论描述之美、理论结构之美。他还举了科学史上几段重要发展历程加以阐述，其中一段从第谷谈到牛顿，可惜未深入展开。从第谷到牛顿这段近代科学革命史上高歌猛进的阶段，恰好是这三种美淋漓尽致展现的一个典型。
丹麦的第谷是近代科学革命中从哥白尼到牛顿的一个关键人物，他一生的工作，就是天文观测。按照古希腊托勒密的地心体系，远在月球之上的天空是永恒不变的，但是第谷早年发现天空出现的一颗新星就在月球之外。后来，他又观测到了彗星，竟然可以在地心说认为的那些事实上并不存在的水晶天球间穿梭。所有这些，引发了他极大的兴趣，也对地心说产生了严重怀疑，可以说正是奇异的“天象之美”让他走上了追随天文的“不归路”。他似乎是为天文而生，练就了一幅好眼力，凭借自己在汶岛上精良的观测仪器，积累了大量精准的观测数据。但是未等他系统整理，也许他终究没有能力完成整理，便在一次宴会上因为内急憋得太久而一命呜呼了。
幸好开普勒在前一年成了他的助手，否则第谷身后的那堆天文资料将成为一堆废纸。开普勒小时候因为患过天花，视力受了影响，但上帝关上一扇门的同时，另一扇随之打开——第谷的海量资料正等着他挖掘。他心无旁骛地整理、计算，结果发现火星绕日轨道的观测值与计算值有8弧分的误差。他有理由坚信第谷的观测数据，认为误差只能来自古希腊延续到当时的圆周行星轨道。但那时不要说计算器，就连对数运算还没有发明，繁复的计算工作难度可想而知。从1600年到1609年，他冲破了行星运行圆形轨道的藩篱，揭示了一个崭新的世界，结果如晴天霹雳：行星绕日运行的轨道是椭圆，其路径在相等的时间内扫过相等的面积。又经过艰苦卓绝的10年，他发现了行星运行的周期定律——包含了天文学史上第一个数学公式。第谷观测到的天文现象，由开普勒做了完美描述，这便是理论的描述之美。
但是行星运行轨道为何是椭圆，周期定律背后的根本原因是什么，开普勒并不知道。从大约1666年牛顿开始思考苹果为何落地开始，到1687年《自然哲学的数学原理》的发表，他完成了近代科学革命最丰硕的成果，用纯几何的方法证明了行星运动三大定律是逻辑必然，揭示了太阳系天体运行的数学结构，呈现了最高阶段的理论结构之美。英国大诗人蒲柏被牛顿的成就深深震撼，他由衷地用诗句赞美道：自然及自然律被夜幕所掩/上帝说，让牛顿来/一切遂大放光明。
从第谷在浩瀚星空中发现的“异常”新星，到牛顿发现了统摄诸天体的万有引力定律；从感官体验的现象美，到平方反比定律展现的数学结构美，这不仅是美之形态的升华，更是物理理论反映、揭示真实自然方面的质的飞跃。科学认识道路上的真与美，由此统一了起来。
原载：科技日报
