物理學中科學思維與藝術思維互補及其啟示

李 艷，丁亞玲

（四川工程職業(yè)技術學院 a.學報編輯部，b.基礎部，四川 德陽 618000）

世界在我們面前呈現(xiàn)出無數(shù)的現(xiàn)象：精確嚴格，混沌奔放……這是科學家和藝術家靈感產(chǎn)生的源泉。靈感引發(fā)創(chuàng)造，繼而凝結(jié)為人類文化成果的主要方面——科學與藝術。

很長時間以來，學術界一直是在文化的兩個“極點”上看待科學與藝術，認為它們代表著兩種不同的智慧，占據(jù)著不同的領域。說科學一定是嚴謹、邏緝、合理的；談藝術則必然飄逸、悖理、甚至不合乎情理。但是，幾千年科學與藝術的發(fā)展，尤其是近現(xiàn)代歷史告訴我們，此看法有失偏頗。

一、科學思維與藝術思維具有共同的創(chuàng)造本性

科學離不開思維，這種思維是抽象的、并按照一定的邏輯線條展開的，即我們常說的邏輯思維。如果用圖示的方法表示，應有規(guī)則的幾何形狀。藝術也需要思維，但它是天馬行空、直覺的產(chǎn)物，即形象思維。如果也用圖示的方法，一定是輕快飄逸的譜線或流動變幻的云彩。

（一）科學創(chuàng)造中邏輯思維的局限

不錯，科學確實需要邏輯、需要抽象，但邏輯思維決非完美無缺。對邏輯悖論的產(chǎn)生和歷史考察表明，邏輯思維有局限性。如：中國古代“白馬非馬”的爭論，古希臘“運動員永遠不能到達目的地”、“阿基里斯追不上烏龜”等悖論。此結(jié)果的出現(xiàn)，既與人類邏輯思維發(fā)展歷史水平的限制有關，也有古人推理方式片面性的原因。但另一些有名的悖論，如：“說謊者悖論”和“羅素悖論”等，則表明邏輯思維是有“度”的，也即，存在著無數(shù)的用邏輯推理永遠不能解決的問題。

（二）藝術創(chuàng)造需要思考和陳述

藝術是情感的產(chǎn)物，其表達更多與形象有關。但藝術家在對形象進行塑造與加工的過程中絕不僅只是幻想，邏輯思維起著重要的作用，尤其在現(xiàn)代藝術中。如西方當代立體主義、未來主義等，大量抽象化的繪畫都試圖在結(jié)構上尋求情緒和思維的通道。立體主義在不經(jīng)意間對狹義相對論的絕妙解讀，不正如古希臘哲學家看到音樂和數(shù)學的統(tǒng)一？對此，波蘭當代著名音樂理論家麗莎說：“誰也不能否認，作曲家在創(chuàng)作自己的作品時不僅是沉浸在音樂的幻想中，而且也在思維，將表象同整個客觀現(xiàn)象通過語言連接起來。”[1]302她這里所說的語言不僅指構成作品的“技術語言”，而且指作品內(nèi)容的特定“思考和陳述”。

二、物理學創(chuàng)新中科學思維與藝術思維的互補

物理學既是自然科學的基礎，同時又是科學發(fā)現(xiàn)的主體，其創(chuàng)新能力和水平直接影響著科技進步和經(jīng)濟的發(fā)展?？偨Y(jié)近代以來的科學實踐，可以說大多與物理學有關，如相對論、量子力學等。愛因斯坦、玻爾等科技前沿的物理學家們，以他們天才的思考帶來了物理學史上最具創(chuàng)造性的成果。

（一）玻爾的互補原理

縱觀整個物理學的發(fā)展，可以發(fā)現(xiàn)，任何一次的創(chuàng)新活動都大量充斥著創(chuàng)造性思維。對創(chuàng)造性思維的正名，玻爾功不可沒。這就是1927年，為了解釋實驗中發(fā)現(xiàn)的微觀粒子波粒二象性問題，玻爾提出了互補性原理。

無論儀器多么精密都不可能同時淮確地測定粒子的位置和速度。實驗者愈是為了準確測定粒子的位置而限定它的坐標，粒子發(fā)生繞射時速度的相對改變就愈顯著，也就是說粒子的速度就愈不確定。海森堡把這種現(xiàn)象概括為“測不準關系”。對此玻爾的解釋是：“用一種儀器同時準確測定這相互排斥的兩個方面是不可能的，我們應該把儀器的測量分為兩類，即速度和位置。應當把兩方面測量所得到的結(jié)果互相補充才能得到關于粒子運動的完全認識?！盵2]112

玻爾為了解決現(xiàn)代物理學觀測中主客體相互糾結(jié)的二難問題，以互補性原理的提出尋求到了一種邏輯上兩極相通的方案，這也標志著科學思維方式的變革。1928年，以繪畫怪誕著稱的比利時畫家瑪格麗特推出巨著——《巨人時代》，畫面上一矛盾的組合體：你幾乎無法分辨是男人還是女人，是遭襲還是被襲……用今天量子理論的眼光來看，應該是畫家在無意識間揭示了藝術創(chuàng)作中邏輯思維在不同層次的動態(tài)纏繞所形成的怪圈式結(jié)構，更是以繪畫的方式巧妙地解讀了玻爾的互補性原理。

（二）物理學創(chuàng)新中科學思維與藝術思維互補的理論與事實

創(chuàng)造性思維中要科學思維，也要藝術思維，這在物理學發(fā)展歷程中既有理論又有實踐，還有來自心理學的支持。

1.理論

彭加勒將創(chuàng)造性思維過程總結(jié)為“三段論”。

第一階段：提出問題并力圖調(diào)動已有的知識去解決問題，這是對思維中的知識單元進行激活。彭加勒稱其為有意識階段，該階段一直不停地處在動態(tài)演變中，直到出現(xiàn)某種新的結(jié)構。第二階段：人的下意識在第一階段有意識思維的引導和推動下進入活躍的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，主要是憑直覺的和諧感對已有知識單元的各種可能組合作出選擇。彭加勒稱其為“無意識的自我”，它能夠識別，而且機智、敏感，甚至比有意識能更清楚地知道如何憑直覺來推測。第三階段：再次回到有意識狀態(tài)，主要是證明、檢驗靈感的結(jié)果，按照嚴格的運算法則推出它們的結(jié)論。

三個階段，第一和第三是我們熟悉的邏輯思維，唯二階段特殊，這種無意識其實就是有意識的邏輯思維鏈條中斷，通過下意識活動作出種種組合方案。組合的數(shù)目很多，但大量是無用的，或者是過于麻煩的。什么樣的組合有價值和可取呢?經(jīng)驗證明，那些從直覺上給人以最大和諧感的組合一定是最優(yōu)化的。這種組合一旦出現(xiàn)，下意識的審美直覺就能立即將它們挑選出來。這時，出現(xiàn)某種靈感或偶然性的東西。接下去的工作又交還給有意識，即邏輯思維去完成。

一個大的“三段論”又由許多小的“三段論”鏈條連成。也就是說，一個重要的物理學理論的建立和科學概念的形成都要經(jīng)過許多這樣思維的“小循環(huán)”，而后形成一個思維的“大循環(huán)”。即科學與藝術思維交替、互補。

2.實踐

以物理學中電磁場概念和理論的形成為例：

1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應，引來無數(shù)物理學家對電流和磁體間相互作用的思考，思考是有意識的，對于目標的尋求也是理性的,屬“三段論”的第一階段。在沒有得到和諧統(tǒng)一答案之前，物理學家們各自的思維呈自由和虛構狀態(tài)，下意識活動作出種種組合方案。因可能方式太多，故不同的研究者在各自無意識的活動中，會提出不同的假說，即進入“三段論”的第二階段。

奧斯特將他的發(fā)現(xiàn)稱作“電的沖突”，且沖突“散布得相當廣”；安培則描述為“中心力”；沃拉斯頓解釋成“一團團圓形的流體”……各種假設加上牛頓那廣為傳播的“超距作用”在法拉第的腦海中如過電影一般。反復琢磨、組合、嘗試和選擇，法拉第經(jīng)歷了一段艱苦的尋覓期。

首先是“超距作用”。當時的物理學家們普遍認為，力的傳遞是瞬時超距的，即：物體間的相互作用不論傳遞多遠都不需要時間。但庫侖后來的反映電荷相互作用的庫侖定律卻對此提出了挑戰(zhàn)。庫侖定律的形式和牛頓萬有引力定律如此相似：與電荷所帶電荷量成正比，與距離平方成反比……法拉第在對當時有關電磁作用的各種假說逐一進行類比和排查時，下意識里突然跳出物質(zhì)到處存在，沒有不被物質(zhì)占有的中空地帶，因此電力和磁力不能憑空隨意傳遞……[3]381，這樣就把超距和非超距統(tǒng)一在了一起。法拉第對他頭腦中閃現(xiàn)出的因統(tǒng)一而呈現(xiàn)出美的設想頗感驚奇，繼而上升到頗為滿意，遂提出“場”的概念。他寫道：磁作用的傳播需要時間，也就是當一塊磁鐵作用于另一塊遠處的磁鐵或者一塊鐵時，產(chǎn)生作用的原因是逐漸地從磁體傳播開去的。[3]383。

懷疑“超距觀念”，摧毀舊學說，需要新的武器，法拉第繼續(xù)組合各種假想，又找到一武器——“力線”。

“力線”雖是人為引入，但可以用來描繪“場”的物理性質(zhì)。循著“力線”的空間分布，觀察者會發(fā)現(xiàn)，任一有電荷或磁極存在的周圍空間都存在有“場”這樣的物質(zhì)，它們無形無樣，隨“力線”的散發(fā)向各方向分布出去，而“力線”的起點則是電荷或磁極本身。

法拉第訂書匠出身，沒有受過高等教育的嚴格訓練，所有創(chuàng)見都是基于直覺的審美判斷。他自知自己的數(shù)學能力有限，但又深信直覺的正確性，便把自己的新觀點寫成一份文件存放在英國皇家學會。至此，“第二階段”結(jié)束。

這份文件很快被年輕的麥克斯韋讀到，麥克斯韋被書中新穎的實驗和見解吸引了。經(jīng)過認真研究，麥克斯韋看到了法拉第定性表達的不足，領悟出“力線”思想的價值。電流周圍存在“力線”這一猜想，被納入到麥克斯韋嚴密的數(shù)學推理中。一年后，麥克斯韋發(fā)表發(fā)表驚世之作——《論法拉第的力線》。

在法拉第的啟發(fā)下，麥克斯韋通過分析法拉第對電介質(zhì)的研究，確認在電場變化著的電介質(zhì)中，也存在電流，命名為“位移電流”。在計算出位移電流的速度正好等于光速基礎上，推導出兩個高度抽象的方程式——麥克斯韋方程組。他在第二篇電磁學論文《論物理學的力線》中，對這一切進行了詳述。

三年后，麥克斯韋根據(jù)這組美妙的方程，推導出電場和磁場的波動方程。根據(jù)計算，這個“波”的傳播速度，恰好等于光速，電磁波的存在確定無疑。一切努力均化作麥克斯韋第三篇電磁學論文——《電磁場動力學》。

“三段論”的第三階段，以電磁現(xiàn)象的規(guī)律被麥克斯韋用不可動搖的數(shù)學形式揭示出而宣告結(jié)束。同時，這里也展現(xiàn)出電磁現(xiàn)象的內(nèi)在和諧美。更后一些時候，赫茲對此作了關鍵性的實驗驗證。

3.來自心理學的支持

人的知覺有一種追求簡約、完美的傾向，這在藝術思維中表現(xiàn)得特別明顯，最突出的是兒童畫和早期的原始藝術中。追求抽象、概括的式樣進一步表明了人的天性。當兒童用他那雙“無偏見的限睛”，即不受任何人為控制的眼睛觀察對象時，大腦中映射出的幾乎是符號化的“意象”①。頭是個圓，眼睛、鼻子、嘴巴是更小的圓。軀干乃長方形，甚至簡化為一條直線，手臂與身體垂直，兩條腿則畫成兩根直線……[2]131，一切都簡化到不能再簡化的程度。

簡潔、完美的形總是給人一種舒適、愉悅的感覺，即追求完美、和諧是人的知覺固有的傾向。與物理學中平衡為物體存在的最佳狀態(tài)一樣，人在心理上也總是最大限度地追求平衡。而對于非簡潔、規(guī)則的形，經(jīng)驗告訴我們它會造成一種緊張，而這種緊張則又是進取和追求的內(nèi)在張力。當法拉第視野里關于電磁作用，出現(xiàn)了諸如奧斯特、安培、沃拉斯頓等的所謂“電的沖突”、“中心力”、“一團團圓形的流體”等說法時，這些假說間的關系是不規(guī)則、不對稱甚或無組織的，但卻因此對法拉第產(chǎn)生了更大的刺激和吸引力，喚起法拉第對電磁現(xiàn)象研究的好奇和注意。很快，這種注意和緊張轉(zhuǎn)化為積極地組織、創(chuàng)造。一旦“場”的概念出現(xiàn)、“力線”被引入后，開初的緊張消失了，原先的那種緊張感轉(zhuǎn)化為和諧的美感?！八蟹N預感：自己已經(jīng)走到真理的邊緣，只要再向前跨一步，成功就屬于自己的了?！盵3]335

現(xiàn)代腦科學發(fā)現(xiàn)了人的大腦有三個基本的機能聯(lián)合區(qū)：保證調(diào)節(jié)緊張度或覺醒狀態(tài)的聯(lián)合區(qū)；接受、加工和保存來自外部世界信息的聯(lián)合區(qū)；制定程序、調(diào)節(jié)和控制心理活動的聯(lián)合區(qū)。[4]10愛因斯坦之所以能在多數(shù)場合下不憑借概念也能進行科學思維，正是相應的大腦物質(zhì)區(qū)域發(fā)揮了同整個腦系統(tǒng)活動相協(xié)調(diào)的潛在功能的結(jié)果。也說明了科學思維和藝術思維在高層次思維活動中的有機配合。

由此可見，在物理學創(chuàng)新的過程中，科學思維的嚴密、實證和藝術思維的自由性是相互交織、相互融合的。有邏輯性的思維推動著下意識的直覺、猜想和審美思維。想象、直覺和靈感等的作用是對原有思維框架的突破。同時，直覺的創(chuàng)造又依賴嚴格的邏輯予以規(guī)范化，成為通常意義上的科學發(fā)現(xiàn)。彭加勒和玻爾對此都有論述：“科學思維在一定階段只有暫時放棄邏輯分析，而‘彈奏全部感情之弦’，才有利于在科學的實證性和藝術靈感的神秘性之間建立和諧，從而調(diào)動我們智慧的全部潛力。”[2]126愛因斯坦也有闡述：“對我來說，毫無疑問，我們的思維不用符號(詞)絕大部分也都能進行，而且在很大程度上是無意識進行的。”[5]4

三、啟示

玻爾十分強調(diào)在物理學創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)中運用互補性思維，他認為，“當在越來越大程度上放棄邏輯分析而允許彈奏全部的感情之弦時，詩、畫與樂就包含著溝通一些極端方式的可能性?！盵6]254

玻爾的理論物理研究所里，耐人尋味地懸掛著一幅醒目的中國太極陰陽圖。該圖作為東方哲學中和諧、統(tǒng)一思想的代表，被現(xiàn)代西方畫家奉為抽象派畫作的極致。他們一致認為，自然界處處存在著對立因素的相互作用，它們既對立又統(tǒng)一，該圖形象地表達了這種和諧關系。

陰陽兩極相互纏繞、交替推動，那流動、變化，始終保持不變的整體美，不僅賦予了審美的意義，從物理學角度看，更是完美地詮釋了微觀世界的粒子圖景。因此，同玻爾的互補性思想是相通的。英國當代著名歷史學家湯因比這樣作結(jié)，在中國古老文化中，有著人類在下一世紀中所必須具備的人與自然和諧的、神秘的合理性。中國只要將來能在科學技術方面趕上西方，就可以在融合自己的古老傳統(tǒng)和現(xiàn)代科學技術中，創(chuàng)造一種新型的現(xiàn)代文明。[2]116

近代精密科學的興起和工業(yè)技術革命的完成，與歐洲文化傳統(tǒng)中注重分析、邏輯和面向客體的思維方式密切相關。由此形成的機械論，在人們向原子世界挺進的過程中成為攔路虎。必然與偶然，精確與模糊同時地呈現(xiàn)出來，進而在亞原子水平，粒子的機械可分性被徹底動搖。打破機械論，粒子物理學中的超弦模型、靴袢模型與中國的陰陽太極圖所描繪的自然圖景更為相似。粒子的結(jié)構包含兩極對立而又結(jié)合，在整體上，又是一個粒子。如果它們無限地膨脹開，又足以演化出一個宇宙。這種略帶神秘性的景象，只有在東西方自然觀結(jié)合的境界中，才能構想出來。[2]115

具有互補關系的事物，在自然界、社會和思維領域中廣泛存在?？梢哉J為玻爾對“測不準關系”的解釋是哲學式的。撇開量子理論，互補性原理道出了人類文化知識的統(tǒng)一和不同思維方式間的交融。精確、模糊；分析、整體；邏輯和直覺……偏廢任何一方都會帶來對世界圖景認識的不完善，欲完整地理解世界只有讓這些看似彼此對立的思維彼此補充、相互融合。玻爾也因為互補性思想而躊躇滿志，他說：“按照一種頗為相似的辦法我們可以正確地說不同人類文化是彼此互補的。事實上每一種文化都代表傳統(tǒng)習慣之間的一種和諧的平衡；利用這種平衡，人類生活的潛在能力在一種方式下表露出來，以使我們認識到它的無限豐富性和無限多樣性的新的方面。”[6]254

每一種充滿活力的文化都應當在開放中實現(xiàn)融合，完全自足的文化是難以存在的?；パa與融合促使人類知識走向統(tǒng)一。

達到人類知識統(tǒng)一的渠道之一乃消除科學和藝術間的隔絕。科學也好，藝術也罷，二者結(jié)合是指向真理的最佳路徑?？茖W中可以有藝術形象，藝術也應該在嚴密的邏輯框架下領悟世界的本質(zhì)。即，科學與藝術的統(tǒng)一是人類文明走向大一統(tǒng)的基本要件。

玻爾逝世的前兩年，他從人類知識、人的智慧以及世界不同地區(qū)、不同民族文化融合的意義上進一步發(fā)揮了互補性思想。

四、結(jié)語

科學和藝術的極致境界里，兩者渾然一體，上升為有關自然和人生的哲學。

因此，偉大的科學家和藝術家往往又是一位哲學家。像物理學家不斷從觀照這世界中發(fā)現(xiàn)自然本質(zhì)一樣，藝術家在自己的觀照中思索并發(fā)掘了人類情感的本質(zhì)。在二者和諧共存的文化視野中，站在科學塔尖上的物理學家，他的思索已變?yōu)檎軐W式的，因為他的一只腳已不自覺地踏進了藝術的領地。反之亦然，藝術家在不斷的藝術創(chuàng)新中，不小心撞上了科學，距離發(fā)現(xiàn)永恒的美，產(chǎn)生最壯闊、深厚情感，凝結(jié)出古今流傳作品的時候也就不遠了。

注釋：

①意象，是相同大腦的一定生理過程和特定部位相對應的信息貯存，在有外界刺激作用的情況下或在有意識的激發(fā)下的心理復現(xiàn)。