科學之路上的真與美

　　科林碎玉

　　8月美國上空上演的那一場壯觀的日全食，讓現場觀看的民眾、科學家、網上看直播的觀眾、事后欣賞精彩照片的網友無不嘖嘖稱奇：太棒了！太美了！

　　“科學與美”這個話題，論者無數，就連許多一流的科學家也對此充滿興趣，發表了不少真知灼見。著名的印度裔美籍物理學家、1983年諾貝爾物理學獎獲得者錢德拉塞卡就這個主題作過多次演講，后來結集成《真與美：科學研究中的美學和動機》。這本書探討了科學家和藝術家在對追求美的道路上不同的創造模式，比如他專門對比了莎士比亞、牛頓和貝多芬的異同。

　　楊振寧先生也就此主題發表過不少精到的看法，他認為物理學存在三種美：現象之美、理論描述之美、理論結構之美。他還舉了科學史上幾段重要發展歷程加以闡述，其中一段從第谷談到牛頓，可惜未深入展開。從第谷到牛頓這段近代科學革命史上高歌猛進的階段，恰好是這三種美淋漓盡致展現的一個典型。

　　丹麥的第谷是近代科學革命中從哥白尼到牛頓的一個關鍵人物，他一生的工作，就是天文觀測。按照古希臘托勒密的地心體系，遠在月球之上的天空是永恒不變的，但是第谷早年發現天空出現的一顆新星就在月球之外。后來，他又觀測到了彗星，竟然可以在地心說認為的那些事實上并不存在的水晶天球間穿梭。所有這些，引發了他極大的興趣，也對地心說產生了嚴重懷疑，可以說正是奇異的“天象之美”讓他走上了追隨天文的“不歸路”。他似乎是為天文而生，練就了一幅好眼力，憑借自己在汶島上精良的觀測儀器，積累了大量精準的觀測數據。但是未等他系統整理，也許他終究沒有能力完成整理，便在一次宴會上因為內急憋得太久而一命嗚呼了。

　　幸好開普勒在前一年成了他的助手，否則第谷身后的那堆天文資料將成為一堆廢紙。開普勒小時候因為患過天花，視力受了影響，但上帝關上一扇門的同時，另一扇隨之打開——第谷的海量資料正等著他挖掘。他心無旁騖地整理、計算，結果發現火星繞日軌道的觀測值與計算值有8弧分的誤差。他有理由堅信第谷的觀測數據，認為誤差只能來自古希臘延續到當時的圓周行星軌道。但那時不要說計算器，就連對數運算還沒有發明，繁復的計算工作難度可想而知。從1600年到1609年，他沖破了行星運行圓形軌道的藩籬，揭示了一個嶄新的世界，結果如晴天霹靂：行星繞日運行的軌道是橢圓，其路徑在相等的時間內掃過相等的面積。又經過艱苦卓絕的10年，他發現了行星運行的周期定律——包含了天文學史上第一個數學公式。第谷觀測到的天文現象，由開普勒做了完美描述，這便是理論的描述之美。

　　但是行星運行軌道為何是橢圓，周期定律背后的根本原因是什么，開普勒并不知道。從大約1666年牛頓開始思考蘋果為何落地開始，到1687年《自然哲學的數學原理》的發表，他完成了近代科學革命最豐碩的成果，用純幾何的方法證明了行星運動三大定律是邏輯必然，揭示了太陽系天體運行的數學結構，呈現了最高階段的理論結構之美。英國大詩人蒲柏被牛頓的成就深深震撼，他由衷地用詩句贊美道：自然及自然律被夜幕所掩/上帝說，讓牛頓來/一切遂大放光明。

　　從第谷在浩瀚星空中發現的“異常”新星，到牛頓發現了統攝諸天體的萬有引力定律；從感官體驗的現象美，到平方反比定律展現的數學結構美，這不僅是美之形態的升華，更是物理理論反映、揭示真實自然方面的質的飛躍。科學認識道路上的真與美，由此統一了起來。