艺术、科学思维与物理教学

摘   要：艺术、物理学之间有着深刻的内在相关性，特别是思维的方式方法上存在着高度的一致性和相互促进性。想象力是艺术创作的灵魂，也是物理学理论创建之渊源；艺术、物理学都倾心于对美的追求，都强调臻美思维；艺术需要高水平的形象思维品质，物理学的大部分理论是构建在形象思维基础上的唯象理论；艺术是高水平抽象的结晶，物理学的理论体系，尤其是理论物理学大厦的建立是抽象思维的辉煌成果；艺术与物理学的发展都离不开创新，创新思维是它们共同的生命。高水平的创新型人才既需要有精深的科学知识，又需要有广博的文化艺术知识。这是今天新课改的目的，更是时代对人才的呼唤。

关键词：课程改革；物理教学；核心素养；艺术；科学思维

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）1-0005-6

李政道说过：“科学和艺术是不可分割的，就像一枚硬币的两面。它们的共同基础是人类的创造力，它们追求的共同目标都是真理的普遍性。”［1］

1921年1月27日，爱因斯坦（Albert Einstein）应某艺术杂志编辑之邀，发表了一段格言式文字：“当世界不再是我们个人欲求的对象，当我们以自由人的身份欣赏、追问、探究这个世界的时候，我们就进入了艺术与科学的领域。如果用逻辑语言来组织描绘所见所闻，那么我们从事的就是科学；如果传达印象所假借的形式没法用理智来知解却能被直觉所领悟，那么我们从事的便是艺术。这两者的共同之处，就是对超越个人利害与意志之物的热爱与献身。”［2］

李政道与爱因斯坦都是物理学大师、顶尖的科学家，尽管他们是从不同的侧面对艺术和科学的关系进行表述，但他们所说的艺术和科学之间的内在相关性、一致性本质上殊途同归。艺术与科学有共同的基础和追求目标，艺术与科学都需要超越个人利害与意志之物的热爱与献身，艺术与科学是缪斯女神的孪生子。而且，艺术与科学在思维的方式和方法上也有共同之处，这对物理教学不仅仅是富有启发性的，而且是必须被深刻理解并得到彰显的。

1    想象力是物理学理论之源

对于想象这一思维能力的重要性，我们先看看爱因斯坦的说法：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。”想象又需要有凭依：“在数学上，人能想象第四维，可是在物理上，人不能看到和直觉地想象第四维。对于他来说，第四维只在数学上存在着，他的理智不能理解第四维。”［3］

翻开《剑桥艺术史》，从古希腊罗马时期一直到20世纪，那些旷世的艺术杰作，无不闪现着瑰丽诡谲的奇思妙想，无不展现出一代代艺术巨匠超凡入圣的想象力。希腊神庙（公元前6世纪）的三角墙上，雕绘着画面和谐、情节连贯的浮雕：早期的面目狰狞的蛇发女妖、蜷伏的豹、大神宙斯挥动着“雷霆”击败巨人、希腊人攻打特洛伊人……这些所呈现的是古希腊艺术家丰富的想象力和高超的技艺［4］。到了文艺复兴时代，达·芬奇（Leonardo da Vinci）的《岩间圣母》、米兰的《最后的晚餐》或是卢浮宫的《圣母子与圣安娜》《蒙娜丽莎》，欣赏的人都会被其展现的魅力所吸引，都会惊叹其构图的精巧、技法的高超。但是，统领这一切的还是画家奔放的诗意和想象力。“圣母和圣婴”是米开朗琪罗（Michelangelo Buonarroti）艺术创作的一个永恒主题，《布鲁日圣母像》《圣母子、圣约翰和天使》以及圣彼得大教堂的《哀悼基督》、意大利的《圣·马太》所呈现出来的震撼人心的完美、登峰造极的艺术境界都消融在超俗而深沉的想象之中。拉斐尔（Raffaelo Sanzio）的《雅典学院》《圣母的婚礼》更是充满想象力的旷世杰作。米开朗琪罗创作的《最后的审判》在1541年10月31日揭幕，它使整个罗马惊讶，事实上使整个世界大吃一惊。这一巨幅壁画是文艺复兴时期的绝响，同时宣告了新的艺术观念的诞生。画作中的每个细节都是艺术巨匠想象力的微妙呈现［5］。

如果你细细地品味埃舍尔（Maurits Cornelis Escher）的画作，如《凸与凹》《高与低》《瀑布》《上升与下降》，或是《群星》《引力》《旋》《莫比乌斯带》，前者是“不存在的世界”的显现，后者是“大自然与数学的奇妙设计”［6］，这些画作简直让人在匪夷所思之余又叹为观止，这其中的想象力之丰富、奇特、诡谲，恐怕在这世界上都是独一无二的。

音乐、诗歌、小说无不充盈着奇妙的动人心魄的想象。艺术不是对现实的复制，而是对现实的创造，是一种超越，其本质在于艺术意境的诞生，在于人的性灵的彰显，到达极限的想象实现极致的创造。

科学理论可以建立在经验事实（观察或实验资料）的基础之上，但是从经验事实走向科学理论并没有直接的逻辑通道。理论需要科学家发挥丰富的想象力建构出来，用以解释、预言现象。从牛顿（Isaac Newton）到爱因斯坦，从麦克斯韦（James Clerk Maxwell）到霍金（Stephen W. Hawking）无不如此，从万有引力定律到超弦理论，从“光的本质”到“黑洞”研究概莫能外。

光是什么？这是科学家较早关注的问题。牛顿想象光是一种微粒，这些微粒服从牛顿定律而运作，不仅可以成功地解释光的直进、反射、色散等现象，而且还能揭秘光的干涉和衍射，这些是今天我们认为的光的波动性的有力证明。惠更斯（Christian Huygens）则想象光是借由“以太”这一介质传播的机械波，由此创立的“惠更斯包迹原理”，虽然能解释光的众多现象，但对光的偏振却无能为力，这是由于他认为光是纵波。这种理论建立的基础不是观察经验，而是想象，甚至是完全虚构的。当然，通过这样的途径构建起来的理论除了需要自洽，还必须接受经验事实的验证。托马斯·杨（Thomas Yong）和菲涅尔（Augustin Fresnel ）的工作推进了波动说的进步，他们认为光是一种想象、一种推测，而并非物理实在。麦克斯韦建立了电磁场理论，认为光是一种电磁波。光电效应的登场解决了这个难题，光子说被提出，光子也非爱因斯坦所见，也是想象的产物。这令人想起了他说的“科学的想象力发现旧的概念太狭窄了，于是用新的概念去替代它。”“我们企图理解实在，多少有些像一个人想知道一只合上了表壳的表的内部结构。他能看到表面和正在行走着的表针，还可以听到滴答声，但是他无法打开表壳。他可以画出一些能解答他所观察到的一切事物的结构图来，但是他却永远不能完全肯定它们就是他所观察到的一切事物的唯一解。”［7］

2    对美的追求与物理学之美

“美”的定义是多样的，我们采用康德（Immanuel Kant）的观点：“鉴赏是通过不带任何利害的愉悦或不悦而对一个对象或一个表象方式作评判的能力。这样一个愉悦的对象就被称作美的。”康德把“令人普遍感到愉悦的东西”定义为“美”的，被黑格尔（Geory Wilhelm Friedrich Hegel）称作有关美的“第一句合理的话”［8］。

虽然有人认为美感源于直觉，但是“愉悦”背后潜藏着自然法则。我们可以说维纳斯雕像是美的，贝多芬（L. van Beethoven）的《月光曲》是美的，芭蕾舞《天鹅湖》是美的，莎士比亚（William Shakespeare）的戏剧是美的，悉尼歌剧院是美的，中国的《清明上河图》是美的，古典乐曲《春江花月夜》是美的，昆曲《牡丹亭》是美的，故宫是美的，等等。我们不打算列举太多，而更想从艺术与科学二者之间的关系来论述科学思维的特点，获得物理教学的启示。

杨振宁认为，科学家对美的体验独具特色：一是体现在进入大自然本质的方式，当代物理学家从一些原理出发建立理论，由理论进入到自然界的本质层次，随之产生的对美的渴望、美的激情，是科学家生命中最重要的东西；另一个是进入大自然后对自然的感受，自然界从表面看是复杂深奥的，但科学家用概念和模型将其秘密逐渐揭示出来，自然的本质既美丽又简单，有着一定的规律、受一些特有的原则支配，当科学家明白这一切时，他们真切体验到美，体验到美的力量［9］。

因对恒星结构和演化过程的研究，荣获1988年诺贝尔物理学奖的钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）在《真与美》一书中说道：“在科学中美是快乐的源泉。”他还以引用表明对美的态度：“我的工作就是努力把真与美统一起来，要是我不得不在其中选择一个，我常常是选择美。”钱德拉塞卡列举一系列科学史案例后说：“一个科学家凭异常高超的审美直觉提出的理论即使起初看起来不对，也终究能够被证明是真的。”而且，“并不是只有伟大心灵在伟大思想中才体验得到美，创新的欢乐也不限于少数几个幸运的人能够获得，事实是我们每个人在追求科学美的活动中都能得到一定程度的满足感。”［10］

纳博科夫（Vladimir Nabokov）是一位奇人，一位融科学和艺术为一体的神秘宗师，头顶“伟大文学家”的光环，同时长期在世界顶级学术殿堂里工作，是一位严谨而又卓有建树的鳞翅目（蝴蝶）分类学家。纳博科夫看到了真之美，也看到了美之真。正如他的名言“我认为，艺术品是两种东西的融合：诗歌之精确性和纯粹科学之激情。”“没有幻想就没有科学，没有事实就没有艺术。”这些悖论式的叙述的确富含哲理，精妙绝伦。他还说过，“我不能把看到蝴蝶的美学愉悦与知道它是什么品种的科学乐趣彼此分离。”［11］博物学家古尔德（Stephen Jay Gould）解释纳博科夫成功“跨界”说：“……创新的背后有某种重要的统一性，传统上艺术与科学互斥的看法是不正确的。”文学创作和蝴蝶研究都是对美的追求，对真的享受，艺术与科学在纳博科夫身上融合形成了一种独特的精神品质。

分形（fractal）具有深刻的科学方法论意义，完美体现了科学与艺术审美的统一，其重要性不言而喻，曾有人说“一个人如果不熟悉分形，就不能被认为是科学上的文化人”。在上世纪50年代，曼德尔布罗特（Benoit B. Mandelbrot）苦苦思索这一种新的几何学，试图统一描述自然界和人类社会中的各种不规则现象，如流体的湍动、曲折的海岸线、多变的天气、动荡的股市、棉花的价格波动，等等。分形利用迭代的方法制作相似图形，构画出令人炫目又充满遐想的图案。人们对美的感受是在有序和无序的和谐搭配中产生的，好像在自然界中出现的事物——云、树、雪花以及绵延的山脉的形状。具体到物理形式上都是动态过程，有序的和无序的特定组合是动态过程的典型特征。这些图形又证明了在理性的科学洞察力与感性的美学感染力之间可能建立一种内在的联系或一道桥梁。这两种认识模式在人类对自然的探究中开始结合起来［12］。

最高水平的艺术技巧，不是单纯摹仿心目中认为美丽的自然物品，而是研究自然物品，从中发现其之所以美的奥秘。我们赞赏艺术大师的作品，很大程度上是因为作者具有厚积薄发的智慧，在微妙的美感激发下对美的物品进行诠释，是因为他们有感而发的情感在我们的心目中激起了美的回声、美的折射。

曲线是世界和生命存在、运行、进化的基本形态：小到有孔虫，大到横无际涯太空中的涡旋星云，甚至包括人的情感和思维。但我们能确切地描述曲线吗？假如能力无限的数学家们能够用人类尚未发明出来的极其复杂的数学公式准确地描述其特征，我们才能想象生命或美是“绝对数学式”的。自然生物的发育程度越高，其原因则越难以解释，必须符合的法则也就越复杂［13］。艺术和科学在面对世界时，在阐释自然界的美时，所面临的境遇是相似的，所采用的技巧也类同，这也是艺术与科学的殊途同归、异曲同工之妙处。

3    形象思维与物理学的唯象理论

形象思维是指感觉器官（眼、耳、鼻、舌、身）所感受到的事物的表象为思维材料而进行的思维活动。表象是以前曾感知过的事物按一定顺序记忆的形象的反映。

艺术来源于生活。绘画、雕塑需要模特，需要对真实对象的描摹。作为画家与雕塑师的达·芬奇，为了对人体结构有精确的了解，不顾教会的禁令，亲自解剖尸体，他的解剖画作精细准确，是真正的艺术杰作。艺术家在创作前，都要写生、临摹、观赏，积累大量的素材。在创作前观察，训练感官的敏感性，达到看得准、听得清、记得明，甚至是见常人所未见、闻常人所未闻的境界和体验。有意识地将自身置于真实情境中，身临其境。人的记忆“具体”总是胜过“抽象”的，没有真实体验，不能深刻理解，想象也就失去了基础。进行形象比较，才能发现对象的特征，才能得出规律。模仿、绘画必须临摹名作，书法必须临摹名帖，音乐、舞蹈、戏曲都要模仿名家的表演艺术与技巧。这一切都是形象思维的过程，艺术是形象思维的重要表现形式，形象思维的培养和发展是艺术学习、艺术创作中不可或缺的环节与重要途径。