艺术和科学

      我想在这里重申一个基本的思想，即科学和艺术是不可分割的，就像一枚硬币的两面。它们共同的基础是人类的创造力。它们追求的目标都是真理的普遍性。

      艺术，例如诗歌、绘画、雕塑、音乐等，用创新的手法去唤起每个人的意识或潜意识中深藏着的已经存在的情感。情感越珍贵，唤起越强烈，反响越普遍，艺术就越优秀。

      科学，例如天文学、物理学、化学、生物学等，对自然界的现象进行新的准确的抽象。科学家抽象的阐述越简单，应用越广泛，科学创造就越深刻。尽管自然现象本身并不依赖于科学家而存在，但对自然的抽象和总结乃属人类智慧的结晶，这和艺术家的创造是一样的。

      科学家追求的普遍性是一类特定的抽象和总结，适用于所有的自然现象，它的真理性植根于科学家以外的外部世界。艺术家追求的普遍真理性也是外在的，它植根于整个人类，没有时间和空间的界限。

      1.复杂与简单

      吴冠中教授最近的杰作（参见封二）——以《复杂与简单》为题的抽象画，就是一个很好的例子。他的配画诗概括了这幅画的神韵：

      点、线、面，

      黑、白、灰，

      红、黄、绿，

      最基本的因素营造极复杂的绘画，

      求证于科学：简单与复杂。

      抽象画，

      道是无题却有题：

      流光—流光容易把人抛，

      红了樱桃，绿了芭蕉。

      

      1.1 标度定律

      在科学中，许多复杂的结构遵从非常简单的数学公式。这里，让我们以海螺的形状为例。1917年，汤姆逊（D'Arcy Tnompson）发现， 海螺的螺旋结构可以用简单的数学公式来表示，这就是半径的对数线性地依赖于角度（即它们的变化是直线关系）。我们称这类关系为标度定律。只要知道结构的一小部分，就能从标度关系预言整体的结构。

      上图左边是海螺的照片，中间是按照标度公式（右）由计算机画出的图形。

      1.2 分形

      “分形”这一课题是简单性产生复杂性的又一例证。由一组称为曼德勃罗集的复数通过简单的数学结构得到的。相应的公式在数学上的构造为：C[,n]＝C[2][,n-1]+C，其中C是一个任意的固定数，C[,n]是曼德勃罗数集的第n个元素。只要稍有耐心，任何人使用小计算器， 就能由这个公式导出曼德勃罗图集，得到一组美妙的图形。

      为使科学家能准确地表达他们对自然界的抽象，数学方程式是必须的工具。不过，方程式只是工具，不能将它与科学的整体混淆。这就像旅行需要汽车，而汽车行驶的方向则要由人决定。在这个意义上，汽车在实现驾车人的特定意愿。然而，一辆汽车绝不可能代表驾车人的人生目标。

      上图 标度定律与海螺结构

      下图 黑白的曼德勃罗图形。

      按：图a 中，黑色区域内的每一点c都对应于属于A类的复数； 图b对应于图a中的小方块，图c则对应于图b中的小方块，依次类推； 其黑色区域内的每一点c也都对应于A类的复数。

      

      1.3 道

      自古以来， 中国的哲学就基于一个概念，即所有的复杂性都是从简单性产生的。如老子所说：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”

      大千世界的复杂性是怎样从简单性中来的？或者说，通过什么机制世界的千变万化才能从简单的“道”中产生？这些问题促使我们讨论静和动的关系。

      2.静和动

      世界是由带负电和带正电的粒子构成的。通过它们之间的相互作用，形成原子、分子，气体、固体，地球、太阳……这种负电荷与正电荷的对偶结构，或称“阴”和“阳”，可以用著名的“太极”符号恰当地表现出来。

      然而，正如吴作人在他的作品《无尽无极》中表现的，世界是动态的。这幅画很好地体现了如下意境：宇宙的全部动力学产生于似乎是静态的阴阳两极的对峙——似静欲动的太极结构蕴育着巨大的势能，这势能可以转换为整个宇宙的所有动能。

      

      2.1 BEPC

      吴作人为中国高等科学技术中心（CCAST ）的一次研讨会作了这幅画，祝贺北京正负电子对撞机（BEPC）的建造成功。

      常沙娜院长的两幅画则将中国神话中的雷神比喻为能源（参见下页图）。第一种是归纳模式，寓意高能以一种微妙的方式积累和收集；在第二幅画中，寓意雷神将巨大的能量在剧烈的旋转运动中抛出。两者的结合描述了静与动的相互作用。

      北京正负电子对撞机（BEPC）使两个强束流相对加速。一束电子流，一束正电子（电子的反粒子）流，在达到每个粒子22亿电子伏能量时发生对撞，由此产生许多新的粒子激发态。BEPC的一个特别重要的发现是1992年精确测定了τ介子的质量。这一结果肯定了普遍性原理存在于所有的基本粒子（包括强子和轻子两类）之中。每类粒子有三代，这些粒子是构造宇宙中所有物质的基本单元。对于τ介子质量的精确测定，被国际物理学界视为当年粒子物理的最重要发现。