未来人物,美与科学

图片 25

未来人物,美与科学

经常看到一些文章,列出“最美”的数学和物理公式。这些“最美”都是通过不同的方法由不同的人选出的,不但选出的结果很不同,而且吃瓜群众看到这些“最美”往往一脸懵:到底谁选的“最美”才是真的“最美”?这些公式到底“美”在什么地方?

世界级物理学家、美国科学院院士、斯坦福大学终身教授、2017年“影响世界华人大奖”提名。当这些头衔和光环都聚焦在张首晟头顶时,他仿佛成为了科学界的“华人之光”。而张首晟却很享受自己学术界和投资界的“跨界”身份,用他自己的话说,要“用跨界的思维,看AI的未来”。

图片 1

比如《科学美国人》的高级编辑Clara
Moskowitz曾经在LiveScience上发表过一篇名为The World’s Most Beautiful
Equations\[1\]的文章,其中列举了十一个通过对不同领域科学家征询得到的“最美方程式”,包括:

图片 2

导语:

  1. 广义相对论            

那个被杨振宁认为“一定会得诺贝尔奖”的人

虽然张双南的主攻领域是黑洞、中子星、相对论天体物理、宇宙学等研究,但实际上,除了宇宙和星空,他还对艺术、美学有着深入的思考。古往今来的哲学家、美学家都觉得“美实在是太难定义了!”然而2016年1月16日在由北京听道(beijingtd)与知识分子(The-Intellectual)合办的听道论坛-知识分子专场中,张双南从自然科学的角度独辟蹊径,来捕捉和确定美的定义。

图片 3

40年前,刚刚从文革阴影中走出的中国决定恢复高考,无数人的命运为之改变,其中就包括一个14岁的少年——张首晟。一年后的1978年,15岁的张首晟在初中刚毕业的情况下参加高考,结果一举考中复旦,而这仅凭借暑假期间父亲给他找了几本数理化课本。

美真的是不可捉摸的吗?物质世界虽然千变万化但却十分真诚,在同样的条件下必然出现同样的现象。张双南认为,美的世界虽然也是千变万化,但是应该有内在的规律。

  1. 粒子物理标准模型            

这听起来有些神奇,对于如今已是全球顶级物理学家的张首晟而言,他的进阶之旅确实一路伴随着传奇。1980年,还没来得及拿到复旦文凭的张首晟,被公派到德国留学,在爱因斯坦、波恩等世界级物理学家的故乡,他暗暗下定决心,自己也要成为一名物理学家,用自己的科学研究造福人类。

演讲 | 张双南(中国科学院高能物理研究所研究员)

图片 4

以梦为马的张首晟,确实没有辜负韶华。不久后他从德国来到美国,投身到儿时偶像杨振宁门下攻读物理学博士,1993年进入世界顶级名校斯坦福大学任教,两年后,年仅32岁的他又成为该校史上最年轻的终身教授之一。

视频制作 | 北京听道

  1. 微积分            

从2010年开始,张首晟的学术研究开花结果,凭借在“量子自旋霍尔效应”和“拓扑绝缘体”两大研究中的重要贡献,他几乎囊括了所有物理学顶级奖项,比如首次花落华裔科学家的欧洲物理奖、凝聚态物理领域的最高荣誉Oliver
Buckle奖、国际理论物理学最高的狄拉克奖。在恩师杨振宁眼里,张首晟的成就“只差一个诺贝尔”,而这“也只是时间问题”。

视频校对 | 陈晓雪、李尚瑾

图片 5

科学家思维玩投资,也能管理4亿美元

● ● ●

  1. 勾股定理            

在物理学领域,张首晟不断帮助人们理解现在的世界,他发现的拓扑绝缘体“烯锡”,可能成为世界上第一种能在常温下导电率100%的超级材料,有望革命性解决电子元件发热问题,再创一个硅谷时代。而在物理学之外,张首晟还有一个令人意外的身份——一名成功的风险投资家,科学家玩投资,照样风生水起。

【北京听道】张双南:美与科学-高清观看-腾讯视频

图片 6

图片 7

大家好,今天非常高兴,非常荣幸有机会来和大家分享一下:美与科学。不是美女科学。当然我们要讲美女,不能够应用到美女的美学,都是伪哲学。所以我们要把这件事情搞对。所以我今天给大家分享两个部分,第一部分是美的科学,就是美里面的科学;第二部分讲科学的美,科学里面的美。

  1. 1 = 0.999999999….            

对于投资,张首晟一开始就展现出了超强的判断力,早年给他的邻居、斯坦福大学教授罗森博格投资VMware便让他获益颇丰,VMware如今市值已达200亿美元。从2013年起,张首晟和昔日学生谷安佳创办了丹华资本,目前管理资产已达4亿多美元,主要集中于互联网高新领域,其投资的网站优化云服务公司Optimizely和无人机平台公司3DR还被视为很可能进入“独角兽俱乐部”。

11月25号对我来讲,是最美的日子。为什么美,两个原因:一个原因是,一百年前,在这个日子,爱因斯坦发表了《广义相对论》的理论,对我来讲是最美的科学理论。另外一个原因大家也看到了,25年前,世界上最美的女孩儿诞生了——我的女儿。我的女儿的美和《广义相对论》的美之间有什么共性?这里面有什么科学规律?这是我今天要和大家分享的。换句话说,我们要问一个问题:美是什么?

图片 8

显然,张首晟是典型的学术科研和科研投资的跨界代表。他的投资秘诀就是科学思维,他认为大家对科学理解还不够广,“即便你的产品和理论科学没有太大关系,但我们可以用科学观点来分析其成长潜力。”对于科研、教学、投资如何平衡,张首晟的解释是脑力工作完全可以平行,他曾笑称自己是“100%时间在做教育,100%时间在做科研,100%时间在做投资”。

图片 9

  1. 狭义相对论

用跨界的思维,看AI的未来

这个问题,事实上哲学家已经问了两千多年了。从大哲学家苏格拉底开始,到他的学生柏拉图,柏拉图的学生亚里士多德,到近代的康德、黑格尔等等,哲学家都问过这个问题。这个问题被称作为天才的追问。那么我们看看,哲学家们问了两千多年之后,现在的答案是什么?

图片 10

对于目前大热的人工智能、大数据、云计算,张首晟也有着从科学视角出发的独特观点。他认为摩尔定律、互联网大数据、算法提升是人工智能发展的关键,他还对人工智能提出了全新的定义,“我更期待机器真正超过人,而不是只像人。人工智能最大的考验就是能不能自己完成一个科学发现,而这个发现是人类能力范围之外的”。

当然答案的种类非常多。我们选用复旦大学朱立元教授所总结的美学家对这个问题的看法。朱教授说,我自己觉得,还没有办法回答这个问题。但是柏拉图说过,美是难的。而且朱教授接着说,我觉得这是千真万确的至理名言。美是什么?美是难的。我倒想说,美是女的。

  1. 欧拉方程            

图片 11

假如说在课堂上,我讲课的时候,我们的同学提问我说,尊敬的教授请问:太阳有多高?我是教天文学的,问这个问题还是对的。我回答说:亲爱的同学,我有多真呀?(同学)再接着问:请问天上有多少星星?我再接着回答:有N多N多。大家也许想起来了,有一个美女杨钰莹唱过一首歌非常类似。如果我以(歌里)的方式回答问题,我想提问的同学肯定就要哭晕在厕所里了。这就是典型的答非所问。

图片 12

张首晟喜欢用科学理论来解释人类文明,他曾说人类文明的巅峰成就在于欧几里得的几何理论,再复杂的逻辑也是建立在最简单的公理之上,爱因斯坦著名的质能方程E=mc²非常简单,却涵盖了从原子到宇宙的运行原理。他的一个观点是,“艺术和科学是相通的,最简单的科学公式就是描写大自然最美的诗句”。

美是什么?回答美是难的,有点像这种答非所问。至于你们怎么看,反正我是不信。为什么?因为这不科学。为什么不科学?答非所问不是我们的习惯,刨根问底是科学家的天职。我们要回答这个问题。那么我怎么来想这个问题?其实我想了差不多30年,我需要用自然科学的方法来研究美。

  1. 欧拉-拉格朗日方程及诺特定理

事实上“云”离不开物理学,物理学有个很大的分支是统计力学,现在讨论大数据和机器学习,大部分算法都来自于物理学。6月21日,张首晟将出席腾讯2017“云+未来”峰会,他将围绕“用跨界的思维,看AI的未来”的主题来分享物理学如何与云计算、大数据、人工智能等领域“跨界”。这一主题无疑会引起人们无限遐想,马化腾曾说,未来要数字经济的重要指标是“用云量”,那么如何深化人工智能在云端的应用?如何更深一层次将科学和互联网连接?张首晟无疑能带来更多启迪,他将用不同于传统IT人的高视角、高格局展望云端未来,帮助人工智能“云端化”输出更多方向,甚至改革整个结构。

我们有一个著名的物理学家,彭桓武先生,他讲过一句话,他说:“物质世界虽然千变万化,但是却十分的真诚,在同样条件下必然出现同样的现象。”那么我把彭先生的这句话,应用到美的研究上,我想说的是:美的世界,虽然是千变万化,虽然在场有各种各样的美女,都非常的不同,但是应该有内在的规律。那么具体做起来,我首先要从提问题来着手。

图片 13

爱因斯坦老师不仅仅是教我们了广义相对论,同时也教我们科学研究方法。他说:提出一个好问题比解决N个问题都要重要。

  1. 卡兰-西曼齐克方程            

美是什么?这个问题,我觉得可以换一个提法。我的这个提法就是说,广义的审美对象,可以包括美人,可以包括美景,可以包括美食、美术、美的艺术,还可以包括美的科学,它们满足什么样的标准,我们作为审美者、审美的主体觉得美。换句话说,广义美的判断标准是什么?我把这个问题转化了。

图片 14

换句话说,广义美的判断标准如果确立了,我们就能够理解什么是美了,或者说美是什么了。当然,把广义美的判断标准学术化一点,我把它叫做“广义美的法则”。

  1. 极小曲面方程            

所以我是想建立一个广义美的法则。那么具体的做法,我是遵从自然科学研究比较标准的一个三段式的方法。

图片 15

首先要归纳。我们要根据不同类型的美,总结共性得到美的法则;然后要证实,也就是说再举出更多的例子,尽可能穷举,有没有美的事情违反我们的法则?如果违反了,我们要修改这个法则。然后还要证伪。我们还要找出不符合这种法则的、但是我们又觉得美的事情来找反例,如果找到了反例就仍然需要修改这个法则。这样的话,我就最终得到了广义美的法则。

  1. 欧拉线            

这个广义美的法则就是——没缺陷、不常见。

图片 16

满足这两个条件,我们就会觉得美。没缺陷针对的是价值观。比如说功能强大,比如说很自然,很合理、完整、真善。不常见指的别样、不一样、出色、洋气等等。也可以是很常见的。比如说很土气、模仿、山寨等等。在座的男士,你如果把我这个列的常见的任何的一条贴到你的女朋友,或者你太太的身上,我保证她不打死你也会掐死你。所以美不美的判断就在这个地方。

而另一篇发表在《环球科学》上的文章《五大最美数学公式》\[2\](也是由Clara
Moskowitz
撰写)也列举了由几位著名数学家与物理学家所选出的五个最美公式,它们分别是:

什么是审美观?为什么我们会有不同的审美观?审美观就是判断美的能力。价值观来判断是否有缺陷。然后我们的见识来判断是否不常见。因此不同的价值观加上我们不同的见识,就导致了我们有不同的审美观。对同样的事情、物体、人,谁认为没缺陷、不常见,谁就觉得美。你什么时候觉得没缺陷不常见,你就什么时候觉得美。你什么时候觉得常见了,你觉得平常了,你就不觉得美了。因此没有客观的美,没有绝对的美,没有普世的美,也没有永恒的美。美永远是在变化着的。

  1. 安培定律

我下面给大家举个例子。我们知道前几天北京天气很好,大家开始的时候都纷纷在自己朋友圈里面贴蓝天白云。我昨天贴了早晨的朝霞和白云,我说朝霞还是那么灿烂,蓝天还是飘着白云,但是为什么今天没有人说美了呢?因为已经蓝天白云一段时间了。尽管还是没缺陷,但是不再不常见了。所以大家不觉得美了。所以我说:雾霾轻轻的告诉我,你什么时候结束休假?我问了这么一个问题。然后有一个朋友评论说:科学哲学家万一看到了这个,肯定要拔高到说:科学家为了验证他的美学理论,要来牺牲大家的健康。我赶紧说,不是这么回事。我屁滚尿流、惊慌失措地回答:宁愿要蓝天的常见,也不要健康的缺陷。然后又有一个朋友接着评论,这个评论更绝,他说几天不见雾霾还挺想念的。今天的天气怎么样?(果然不好了吧?)所以交友不慎就是这个后果。

图片 17

图片 18

  1. 麦克唐纳公式

再举一个例子。这个例子是何泽慧先生(她是我的导师)和清华园的秋色美景,我说也都是美的极致。这是我在11月22日贴在朋友圈里面的。11月22日那天发生了两件事情。一件事情是在清华大学举行了一场纪念会,纪念我的导师何泽慧先生重要的研究成果发表69周年。何先生几年前去世了,我们看看这个照片里左边这个小女孩,是何先生年轻时候的照片,显然是个小美女。右边是何先生晚年时候的照片,依然是光彩照人。所以我说何先生是高智商、高颜值、高品德的极致。这样的美女就是美的极致。

图片 19

同样清华园的秋色美景也是美的极致,秋色是好的,没有缺陷,因为是丰收的季节。当然要看到秋色,通常要有比较好的自然的环境。雪景也是好的,每年的第一场雪,瑞雪兆丰年也是好的。11月22日那天,北京下了一场大雪。但是这两件事情放在一起,当然仍然是没有缺陷。但更重要的是,不常见。秋色雪景在一起不常见,雪下得早了,化掉了留不下雪景。雪下得晚了秋色没有了,秋色雪景放在一起最美的,因为是没缺陷。不常见的极端。所以那天大家都在网上,在朋友圈里面贴照片,原因就是这个。而具有三高的美女,也是极为罕见的,所以11月22日那天是美的极致。我举这个例子说明了,没缺陷不常见是最美的。

  1. 亏格g曲线模空间

前面美的科学讲清楚了,下面讲科学之美。科学探索我们知道,充满了意外。意外当然就是最大的不常见。我自己是做天文学研究的,我用天文学作为例子。我们知道大部分的开创性的天文学研究都是意外之作。我统计了一下,天文学研究获得了大概十几个诺贝尔物理学奖,只有一个是按照计划取得的成果,获得了诺贝尔奖。其他的一律是意外之作。

图片 20

图片 21

  1. 牛顿法

当然限于时间,我只讲其中的一个例子。当然这个也跟美女有关系,这就是1967年贝尔女士发现了射电脉冲星。我们先看看这个小美女,这是她研究生时候的照片。她那个时候要做的,就是要来研究星际闪烁现象。那时候已经知道有这个现象,但是她意外地发现了射电脉冲星,就是周期性到达的射电信号。最右边这个照片是去年夏天我在夏威夷开会,遇到贝尔教授。以前我也认识她,我们就在一起聊了聊天。我们看到贝尔教授依然是光彩照人,所以这也是高颜值、高智商、高品德的三高美女。这一类的三高美女,统统是我的女神。在女神这件事情上,当然我是多神论者。

图片 22

(现场张双南调侃道:饶教授,我相信你也是多神论者,在美女这件事情上。饶毅:我是无神论者。)

  1. 电弱理论的拉格朗日量

下面再给大家看几个照片,大家认为的美景的照片。

图片 23

图片 24

你可能已经注意到了,除了第一组的“粒子物理标准模型”和第二组的”电弱理论的拉格朗日量”类似之外(“粒子物理标准模型”就是在“电弱理论”的基础上建立和扩展而来的),这两组就没有共同之处了。看来在不同的数学家和物理学家眼里,“最美”的科学公式是很不一样的。

最左边的这个照片是生物的照片,核盘菌孢子爆发的一个照片。然后中间这个,我们手指捅破一个肥皂泡的照片。最右边是一个星系的照片。这些照片都是美得不要不要的照片。为什么美?现象很自然,所以没缺陷,肉眼看不到,所以不常见。它们经常发生,但是我们的眼睛没看到。所以我们看到了之后,就说这是美得不要不要的照片。再一次说明了这个问题,科学的照片也是这样。

有的科学家认为“对称”为美,有的科学家却认为“破缺”为美;有的科学家认为“简洁”为美,有的科学家却认为“复杂”为美。这就涉及了一个根本的问题,何谓“科学之美”?

下面讲爱因斯坦广义相对论。我刚才讲了,100年前的11月25日,最美的科学理论广义相对论被爱因斯坦发表了。广义相对论当然是建立在牛顿力学的基础之上的。牛顿的力学理论我们知道,他是在1687年发表的这个理论。其实我们今天看起来是很简单,他是把伽利略的惯性原理,提升成了牛顿第一和第二定律,再加上了牛顿第三定律(这个是牛顿的原创)和万有引力定律(也是牛顿的原创),然后就能够解释开普勒三定律。所以这是他的理论的实质性的内容。他的理论的没缺陷体现在哪?它解释了当时所有已知的观测和实验现象,当然是完全的没缺陷。不常见反映在这是人类历史上第一个定量和系统的科学理论。这个理论正确地预言了海王星的存在,之后被观测发现了。正是海王星的发现彻底确立了牛顿力学理论作为第一个自然科学理论的正确性。

诺奖得主、量子力学先驱之一保罗·狄拉克在1963年曾经明确表示:“在我看来,一个方程拥有美感,比它符合实验结果更为重要。”但被问到这种“美感”到底指什么时,他却回答不上来了。他说:“数学的美和艺术之美一样,是无法定义的。不过只要是学数学的人,不费吹灰之力就能感受到它。”\[3\]。因此,在狄拉克看来,美只可意会不可言传,正如物理学家张天蓉在《物理学之美》这篇文章里面开篇所说“人人都追求美,物理学家也不例外,但到底什么是物理学的美,那是一个模糊的概念,或者说只是一种感觉,只能意会,不能言传。物理学家也难以赋予它科学而精确的定义。”\[4\]

所以从当时的观点来看,牛顿的力学理论已经很美,是当时的没缺陷不常见的极致。但是有人不这么看。这就是爱因斯坦。爱因斯坦认为牛顿的引力理论有缺陷,反映在两个方面:一是理论上面是有缺陷的。爱因斯坦认为牛顿理论里面的瞬时作用违反狭义相对论。因此他问,引力的本质到底是什么?二是有用性的缺陷。爱因斯坦深刻地考察了水星近日点的反常进动,他认为这个无法用牛顿的引力理论进行解释。所以他问牛顿引力理论的适用范围到底有多大?这对爱因斯坦来讲,是两个非常大的缺陷。因此爱因斯坦提出了广义相对论,当然完全弥补了牛顿理论的缺陷。他的理论上的没缺陷,体现在引力的本质是质量导致的时空的弯曲。弯曲的时空再决定了一切物质的运动,包括光线的运动。实用性的没缺陷体现在,它在弱引力场下面近似于牛顿理论,在强引力场的情况之下,比牛顿理论更加精确,因此牛顿理论所能解释的所有的现象,广义相对论都能够解释。牛顿的理论不能解释的现象,或者不可忽略误差的地方,广义相对论也完全能够适用。因此广义相对论在当时提出的时候是没有缺陷的。

但是很多科学家都喜欢谈他们的美学观,那我们先来看看几位著名的科学家是怎么说的。

另外一个没缺陷的例子,我刚才讲了,它在理论上是关乎引力的本质,实用上面是弥补了牛顿理论的计算不精确的地方。最重要的一点就是,水星近日点的反常进动。这个是牛顿理论完全不能理解的。在广义相对论里面,我给大家列出来这个地方,我们可以看到广义相对论精确计算出来了这个结果,因此弥补了牛顿理论里面的一个主要的缺陷。那么这个理论,也需要不常见才能满足“没缺陷不常见”的美学的广义法则。广义相对论的不常见,体现在它是第一个把物质和时空建立了深刻联系的理论。

物理学家们的美学观

牛顿理论在当时是第一个定量和系统的科学理论,而广义相对论理论是第一个把物质和时空建立了深刻联系的理论,是第一个揭示了物质世界的时空本质上是弯曲的理论。以前都认为是平直的,现在认为是弯曲的,而且这个理论成功地预言了新类型的天体和一系列新的现象,包括黑洞、宇宙膨胀、引力偏折、引力红移、引力波等等一系列的预言。这其中大部分都得到了观测的证认。还剩下少量的,等待证实。

尼马·阿尔卡尼-哈米德

理论物理学家尼马·阿尔卡尼-哈米德教授(Nima
Arkani-Hamed)是被公认的全世界中青年一代最优秀的理论物理学家之一,谈到科学的美,他说:“你在今天觉得优美的理论,在十年后依然会觉得优美,而且会永远优美下去。”

他认为理论之‘美’不会随时间改变,这样的“美”是永恒的。

我给大家简单举一下例子。引力偏折验证了广义相对论的预言,它预言遥远处的天体的光线经过太阳附近的时候一定要被太阳引力场的光线偏折。后来这个被实验观测证实了,正是这个观测彻底确立了广义相对论理论比牛顿理论的优越性,也使得广义相对论理论得到了广泛的接受。理论预言是原来完全不知道的现象,但是得到了验证,当然就是不常见的极致。

张首晟教授

著名物理学家张首晟在接受采访时\[5\]也谈到对“美”的理解:“大自然很多现象看上去是非常错综复杂,但是你用错综复杂的规律能够用几个简单、优美的公式来代表的话,我们就觉得这是大自然的一种美。” 

他认为深奥和普世才是美。很显然,你只有体会到了这些规律的“深奥和普世”,你才有可能感受到这些规律的美。(2017年1月15号,我客串记者采访了张首晟教授,他在谈到科学之美的时候,又强调了他的上述观点。)

广义相对论理论,今天有没有缺陷?如果我说它是最美的科学理论,我们当然需要讨论它有没有缺陷。从实用性方面来讲,你可以说,这个理论不好懂。当然这不是爱因斯坦的错。对不对?不好懂是你没有学会。那理论上有没有缺陷?我们知道现在有一些问题,比如和量子理论不和谐。当然我们期待在座的潘建伟教授将来把这个问题给解决了。但是目前我们不知道是量子理论错了,还是广义相对论错了。奇点的问题,爱因斯坦不相信。他自己的理论预言了黑洞,但是他认为自然界有可能能够避免奇点。量子物理学家认为量子理论是有可能能够绕开奇点的问题。但是今天这些努力,都还没有成功。

文小刚教授

文小刚教授曾在自己的文章\[6\]中谈到过对美的理解。他提出“创新的内涵是制定美的标准”,这和我曾在多篇文章中提出的“科学技术创新的本质就是对美的追求”是一致的。文小刚教授接着说,“一个人对美的认知和思想被越来越多的人欣赏接受,从而成为美的标准,成为大家共同的努力方向,这就是创新过程。”文小刚教授进一步强调了,“我认为美的东西就是美”,“如果自己的追求真的是美,或早或晚,都会得到大家的欣赏和认同,大家就会跟着做。这时你自己对美的标准就变成了公众的标准。”

关于奇点的问题,我自己曾经做过研究,我的研究的结果是,黑洞内部事实上是没有奇点的。但是并不需要新的自然规律,只需要好好的理解和应用广义相对论。几年前我穿越回去,向爱因斯坦老师汇报了这个结果,真的没有缺陷。所以爱因斯坦的理论,在今天看来,仍然是不常见、没缺陷的极致。我们还在期待更多的广义相对论预言的不常见。比如说引力波,现在科学界在谣传,也可能是真的,就说已经探测到了引力波,如果是这样子,必然会拿一个诺贝尔奖。当然这是我们所期待的。这个广义相对于预言的不常见,将给我们带来很多的意外。

陈丕燊教授

陈丕燊曾在《完美的理论》一书的导读\[7\]中表达了他对于“美”的理解(不久前本人和陈教授聊起美学,陈教授再次重复了他的观点):“还有什么比「完美」更美的吗?依笔者的看法,那应该是在完美之余,可惜竟有一些破缺,令人错愕。我怀疑,米洛的维娜斯雕像如果双手仍然健在、完整无缺,会不会还是那么美呢?”很显然,陈教授非常认可传统美学的“残缺美”理论。

图片 25

诺奖得主韦尔切克

麻省理工学院物理系教授弗朗克·韦尔切克曾在采访中\[8\]说“美的法则与人们认为美的事物有两项共同点。一是丰富性或者说创造性,即得到的比投入的更多……对称性在自然基本法则中尤为突出,因为太常见而不免为人所忽略,但对称性中就隐含着和谐与美,在科学上的应用也卓有成效,是不变的变化。”所谓“不变的变化”,韦尔切克教授的解释是,世界和宇宙都可以变化,但是背后的规律不会变化。 

总结起来,韦尔切克教授认为美的法则就是丰富性和不变性。

最后再讲一句话,社会发展的动力和科学技术创新的本质到底是什么?我们用这个美学理论做一些解释。没有普世美、只有多样美,我刚才已经讲了。有多样美才有生命力,没有最美只有更美。追求更美,因此就是社会发展的动力。技术创新,我们做工科的都知道,目的就是要弥补缺陷。而科学创新的目的,是发现不常见。所以因此我的结论就是,社会发展的动力和科技创新的本质,就是对美的追求。

杨振宁教授

著名物理学家、诺贝尔奖获得者杨振宁先生(我认为杨先生是在世的对物理学做出了最大贡献的物理学家)在中国美术馆做过一场关于“美在科学与艺术中的异同”的演讲\[9\]。杨先生没有讲“美是什么”,但他认为物理学的美在于整个世界都浓缩于简单的原理,而这种美与人类没有关系,科学的美是客观的。

我的报告就到这里。谢谢大家!

谁的美学观是正确的?

很显然这些科学家的美学观都相当不一样,至少表述是不一样的。那么谁的美学观是正确的?在回答这个问题之前,我首先需要说明,不管他们的美学观是什么,他们每个人都感受到了科学之美,至少是感受到了科学之美的某个方面。我想讨论的只是他们的美学观是否具有普遍性,是否适用于所有的科学之美。 

我将利用科学研究的一个极为重要的方法来回答这个问题,这个方法就是“证伪”,简单地讲就是举反例。具体到这些科学家的美学观,我将采用这样的逻辑进行证伪:首先把科学家A的美学观A表述出来,如果有某个“科学”不符合美学观A,但是有人(比如科学家B)认为美,就说明美学观A不具有普遍性,那么这个美学观就不能代表普遍的“科学之美”。

尼马·阿尔卡尼-哈米德教授认为科学理论之“美”的体现就是基本的原理,而且这样的“美”是永恒的。但是我们知道,科学理论总是不断发展的,我们总是在寻找基本的原理,牛顿时代基本的原理就是牛顿的力学理论,但是这个“科学”今天已经不再基本了,爱因斯坦的相对论显然更加基本。当时的科学家应该认为牛顿的力学理论是很美的,但是今天很少有科学家再说牛顿的力学理论很美,比如陈丕燊教授就认为广义相对论是最美的科学理论,而且我们知道一定还有比广义相对论更加基本的理论。因此,我用这个反例说明了科学之美不一定基本也不一定永恒。

张首晟教授认为宇宙当中最最深奥,最最普世的这些规律,都是非常的美妙。他用了爱因斯坦的著名的质能公式E=mc²来说明深奥和普世的公式很美。但是这个公式一点都不对称,追求对称美的韦尔切克教授显然不会认为很美。而且张首晟教授并没有说只有最最深奥和最最普世的规律才是美妙的,换句话说,他认为“深奥和普世”是科学之美的充分条件,而非必要条件,也就是满足其他条件的科学也可能是美的。事实上也是如此,前述不少科学家认为的科学之美既非深奥,也非普世。因此,科学之美不一定深奥也不一定普世。

文小刚教授认为,“美”一开始是个人化的,到最后被很多人接受,成为美的标准。这的确是美的产生和审美的一个可能过程,但是这是否是唯一的可能性呢?文小刚教授没有说。事实上,很多重要的科学发现都是偶然发生的(比如绝大部分获得诺贝尔物理学奖的天文发现都是如此),也被很多人认为非常美。但这些科学家并非一开始就坚信“自己的追求真的是美”。而且,文小刚教授也没有说明美的标准是什么,没有解释在什么情况下“自己的追求真的是美”。也许可以反过来理解文小刚教授的意思:“得到大家的欣赏和认同”的就“真的是美”!但是这样似乎是循环论证,并不能让人满意。 

的确,每一个坚持“标新立异”创新的研究人员都相信自己的追求真的是美,但是大部分这样的研究或者无疾而终或者以失败告终,不会得到大家的欣赏和认同,这就是做真正创新研究的人少,做跟风研究的人多的原因,毕竟我前面列举的包括文小刚教授在内的顶尖科学家属于凤毛麟角。这是为什么?事实上,即使非常成功的科学家对已经经过检验的科学理论或者公式何为最美的看法也很不一样。因此,即使你自己的创新成功了,大家也未必都认可你认为的“美”,这和文小刚教授的结论明显不一致,这又是为什么?对前一个“为什么”的回答也许是你的创新还没有成功,但是这无法回答后一个“为什么”。

陈丕燊教授的美学观就是著名的“残缺美”美学理论。关于这个美学理论,我曾经专门通过“证伪”的科学方法进行了非常彻底的批判,比如,我们从来没有见过一个美丽的女孩子为了追求“残缺美”而去自残。而前述张首晟教授认为E=mc²这个公式很美很显然和“残缺”毫无关系,而韦尔切克教授明确表示,“这些小缺陷是现在的物理学方程还不够美的原因”。很显然残缺既不是科学之美的必要条件也不是充分条件。 

韦尔切克教授认为美的法则就是丰富性和不变性,和尼马·阿尔卡尼-哈米德的美学观基本上一样,因为丰富的根源正是基本,而不变就是永恒。所以可以用同样的理由说明韦尔切克教授的美学观不具有普遍性,也就是说,科学之美不一定具有丰富性也不一定具有不变性。

杨振宁教授认为,科学中的美是“无我”的美,艺术中的美是“有我”的美。我从两个方面对杨振宁教授的美学观进行证伪。首先,如果科学中的美是“无我”的,也就是和审美者无关,那么每一个审美者都会对同一个“科学”得出同一个审美结论,但是我们上面已经看到几个科学家眼中的科学之美是很不同的。其次,数学的最高奖菲尔茨奖得主阿蒂亚及其合作者发现\[10\],欣赏数学之美所用到的大脑部分(就是所谓的情绪大脑),和欣赏音乐、欣赏艺术以及诗歌所动用的大脑部分完全一样。既然我们对科学的美和艺术的美的审美过程是一样的,那么这些“美”在本质上就没有什么不同。因此,我们不能说科学的美和艺术的美是不同的。

张双南,中国科学院高能物理研究所研究员,中国科学院粒子天体物理重点实验室主任。1984获清华大学学士学位。1989年获英国南安普敦大学博士学位。1989-1992美国宾西法尼亚大学博士后。研究方向:空间天文仪器、天文数据处理方法、黑洞和中子星天体物理、相对论天体物理、伽玛射线暴和宇宙学。

那么到底科学之美的普遍标准是什么?

前面我用举反例这种虽然简单但是非常有效的方法说明了前述科学家的审美观都不代表科学之美的普遍标准,但是阿蒂亚及其合作者的研究发现,人们的大脑对各种美的反应都是一样的。而另外一个研究表明,我们大脑的任何思维过程都是贝叶斯定理的一个应用\[11\],我们做任何一个判断,都是我们以前的经验、我们的价值观和新的数据的一个结合。我们的一个正常的思维过程,相当于利用贝叶斯定理做了一次计算。审美也是一个思维过程,因此综合这两个研究结果,结论必然是存在审美的普遍标准,当然也应该存在科学之美的普遍标准。

我利用科学研究的标准三阶段方法,也就是归纳、证实和证伪,经过多年的研究,发现了审美的两个要素:审美者的价值观判断审美对象是否有缺陷,见识甄别审美对象是否不常见。同时满足没缺陷不常见两个条件的审美对象我们就觉得美,没缺陷不常见是美的充分必要条件,这个广义美的判断法则对所有类型的美都适用。(注1:本文的重点不是介绍我的美学理论,所以如果不知道“没缺陷不常见”这个梗,请自行搜索“没缺陷不常见”自行脑补;注2:请不要急于搬出“断臂维纳斯”以及漏洞百出的“残缺美”理论来批判我,因为我已经应用证实和证伪的科学方法对“残缺美”理论做了彻底批判,在这个过程中顺便揭示了传统美学的四大误区。请自行搜索“张双南残缺美”了解我对“残缺美”理论的批判。)

我们下面用“没缺陷不常见”来考察前面几位科学家的审美观。 

尼马·阿尔卡尼-哈米德教授认为科学理论之“美”的体现就是基本的原理。很显然,从科学研究追求基本原理的价值观看,“基本”就是“没缺陷”的一种体现,而“基本”的科学原理其实很少,当然就是“不常见”,所以我们会觉得这样的科学理论很美,当然并不是所有人认为美的科学理论都是基本的科学理论。所以“基本”是美的充分条件,但不是美的必要条件。

张首晟教授认为宇宙当中最最深奥,最最普世的这些规律,都是非常的美妙。同样,最最深奥,最最普世的这些规律对科学家来说肯定就是没缺陷不常见的,所以我们会觉得美,不过也有很多科学理论或者结果不是那么深奥也不是那么普世,也有人觉得美,所以“最最深奥,最最普世”也只是美的充分条件,而不是美的必要条件。 

文小刚教授强调:“我认为美的东西就是美”,“如果自己的追求真的是美,或早或晚,都会得到大家的欣赏和认同,大家就会跟着做。这时你自己对美的标准就变成了公众的标准。”根据我前面的分析,这无法完全回答那两个“为什么”。但是可以把第一句话修改成“我认为美的东西对我自己就是美”,因为这符合我自己的价值观和见识所判断的没缺陷不常见,但是在别人眼里也许有缺陷,也许很常见,所以别人不一定觉得美。但是如果“我的理论”最后经受住了科学方法的检验[xii],大家就都认可它属于“没缺陷”,如果别人也认为这个科学理论“不常见”(当然这就是创新的内涵),别人就会觉得美。这就是为什么我说“科学技术创新的本质就是对美的追求”。 

陈丕燊教授在文章中说,“广义相对论对于宇宙常数的来源及其任意性,竟无从解释。爱因斯坦曾经说:「引进这样的常数,就意味着在相当程度上放弃了这个理论的逻辑简单性。」然而这个史上最完美理论的瑕疵,却使它显得更美!”那么我们目前无法解释宇宙常数以及“放弃了这个理论的逻辑简单性”是否就是一个缺陷呢?事实上,目前无法解释不表明以后不能解释,而放弃简单性更不是理论的缺陷,因为宇宙的规律本来就无需简单。所以从科学的价值观上判断,“宇宙常数”并不是一个瑕疵,更不是一个缺陷。我本人就写过文章说明广义相对论仍然是完全没缺陷极端不常见的科学理论,是一个美哭的科学理论。 

韦尔切克教授认为美的法则就是丰富性和不变性,丰富性和不变性也满足科学的价值观,属于没缺陷的一种,而这样的科学规律也不多,当然就是不常见。只不过有一些科学规律并不是那么“丰富和不变”,由于满足有些人的价值观和见识所判断的没缺陷和不常见,他们也会觉得美。 

最后,杨振宁教授在解释“科学中的美是‘无我’的美”的时候,举的几个例子是霓虹、麦克斯韦方程式、牛顿的运动方程式、爱因斯坦的狭义和广义相对论方程式、狄拉克方程式和海森伯方程式,这些都是属于没缺陷不常见的例子,难怪杨先生会觉得这些科学很美。但是如果你不理解这些方程式,就无法体会它们的没缺陷,当然也无法判断它们是否不常见,你就不会觉得它们美。比如,你如果问一个民工狄拉克方程式美不美,他肯定觉得你在开玩笑。当然我在这里丝毫没有不尊重民工的意思,只是想说明“科学中的美是‘无我’的美”肯定是不成立的。 

知识分子,为更好的智趣生活。

到底什么是最美的科学公式?

最后我们回到本文开始提出的问题,到底什么是最美的科学公式?很显然每个人的科学价值观和科学见识不同,他眼里最美的科学公式和其他人就不一定一样。所以在这里我只能根据我自己的科学价值观和科学见识来说明我认为的最美的科学公式。 

这个公式就是前面张首晟教授提到的爱因斯坦的著名的质能公式E=mc²,只不过我得到这个结论的原因在于这个公式的完全没缺陷极端不常见。我同意张首晟教授的解释,这个公式“小用到原子,大用到整个宇宙”都完全成立。事实上原子弹、氢弹、核能、各种加速器和对撞机、太阳内部和宇宙大爆炸的基本原理和过程都是这个公式,科学家还从来没有发现过违反这个公式的任何现象和过程,所以这个公式完全没缺陷。同时,我还没有见到过任何其它科学公式如此简单、但是功能如此强大而且适用范围如此广泛,因此这个公式极端不常见。总结起来,对我来说,E=mc²就是最美的科学公式,是美哭的科学公式。(编辑:婉珺)

参考资料:

  1. Clara Moskowitz. The World’s Most Beautiful Equations,LiveScience
  2. Clara Moskowitz.《五大最美数学公式》,《环球科学》,2016.2,P84
  3. Philip
    Ball,丁嘉琦编译,《科学家偏爱优美的理论,但追求“美”会不会妨碍探究“真”?》,环球科学微信公众号,2015.12.24,文章来源:Aeon
  4. 张天蓉,《物理学之美》,中科院物理所微信公众号,2016.3.25
  5. 《张首晟:教一个孩子怎么造船,一开始就要给他一个大海的梦想》,未来论坛微信公众号,2017.1.11
  6. 文小刚,《创新就是孩子的游戏|经典回顾》,赛先生微信公众号,2017.1.31
  7. 陈丕燊,《美是均衡中有错愕——<完美的理论>导读》,数理人文微信公众号,2016.1.10,原载于《数理人文》Vol.
    6, 2015
  8. Steve
    Paulson,商白编译,《“美”才是物理的真谛:诺奖得主Wilczek谈量子力学、宇宙与灵魂》,知识分子微信公众号,2016.05.05,文章来源:Nautilus,原载于中国物理学期刊网
  9. 杨振宁,《美在科学与艺术中的异同》,知识分子微信公众号,2016.6.26
  10. Zeki S,Romaya J, Benincasa D, Atiyah M. The experience of
    mathematical beauty and itsneural correlates. Frontiers in Human
    Neuroscience. 2014;8(68).
  11. LauraSanders. Bayesian reasoning implicated in some mental
    disorders. ScienceNews,Vol.189, No. 11, May 28, 2016, p. 18
  12. 张双南,《科学的目的、精神和方法是什么?》,科学人微信公众号,2016.10.26
admin

网站地图xml地图