科學(xué)家都很喜歡優(yōu)美的理論，但一味追求美或許也會(huì)讓人誤入歧途。
愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論誕生已滿一百周年，到目前為止，它都很好地經(jīng)受住了時(shí)間的檢驗(yàn)。對(duì)很多人來(lái)說(shuō)，廣義相對(duì)論不只是“成立”這么簡(jiǎn)單，它已經(jīng)成為一個(gè)標(biāo)桿，告訴我們科學(xué)理論應(yīng)該是什么樣。廣義相對(duì)論的成就在于將引力解釋為一種幾何現(xiàn)象：物質(zhì)和能量讓時(shí)空發(fā)生扭曲，迫使物體（以及光）沿著特定的路線運(yùn)動(dòng)，就像河流的走向受到地形的限制一樣。它違背了經(jīng)典的牛頓力學(xué)，也違背了人類的直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)，但它所做出的預(yù)言已經(jīng)得到了無(wú)數(shù)次的證實(shí)，簡(jiǎn)而言之，它描述的就是事實(shí)。
不過(guò)，愛(ài)因斯坦本人似乎并沒(méi)有很在意廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。1919年，英國(guó)物理學(xué)家愛(ài)丁頓在日食時(shí)觀測(cè)到太陽(yáng)引力讓星光產(chǎn)生彎曲，這是首次對(duì)廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。有人問(wèn)愛(ài)因斯坦，萬(wàn)一實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論不符合該怎么辦呢？愛(ài)因斯坦如是回答：“那么我將為上帝感到遺憾——我的理論肯定是正確的。”
這就是愛(ài)因斯坦——正如丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾在聽到他的回答時(shí)所評(píng)論的那樣，他有點(diǎn)過(guò)于喜歡對(duì)上帝指手劃腳了。但他的自信也并非全是出于傲慢：他之所以相信廣義相對(duì)論是正確的，是因?yàn)樗珒?yōu)美了——這么優(yōu)美的理論怎么可能是錯(cuò)誤的呢？
這種想法，讓今天的物理學(xué)家既歡欣鼓舞，又感到一陣隱隱的不安。說(shuō)到底，檢驗(yàn)理論的唯一標(biāo)準(zhǔn)難道不是實(shí)驗(yàn)，也就是大自然本身嗎？和優(yōu)美與否有什么關(guān)系？研究弦論的物理學(xué)家布賴恩·葛林（Brian Greene）在他1999年出版的書《優(yōu)美的宇宙》（The Elegant Universe）中寫道：“審美取向不能左右對(duì)科學(xué)論述的判斷。理論的最終命運(yùn)，只能由實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)決定。”不過(guò)，葛林認(rèn)為愛(ài)因斯坦并沒(méi)有暗指理論的正確性應(yīng)當(dāng)由審美來(lái)決定，他只是說(shuō)理論的優(yōu)美性可以起到很好的引導(dǎo)作用，暗示你走在正確的道路上。
我們無(wú)法知曉愛(ài)因斯坦本人的真實(shí)想法，但我有些懷疑葛林的辯護(hù)，畢竟愛(ài)因斯坦可是說(shuō)過(guò)這樣的話：“只有優(yōu)美的物理學(xué)理論才是我們所愿意接受的。”如果愛(ài)因斯坦只是不想讓理論輕易地被實(shí)驗(yàn)所否定，倒是有充足的理由可以支持他——在理論和實(shí)驗(yàn)測(cè)量不一致的時(shí)候，誰(shuí)敢斷定錯(cuò)的一定是理論，而不是測(cè)量結(jié)果呢？但他沒(méi)這么說(shuō)，他似乎就是認(rèn)為無(wú)論如何，優(yōu)美都重于實(shí)際。
而這么想的還不止他一個(gè)。偉大的德國(guó)數(shù)學(xué)家，同愛(ài)因斯坦一樣在二戰(zhàn)前從納粹德國(guó)逃往美國(guó)，并在普林斯頓高等研究院與與愛(ài)因斯坦成為同事的赫爾曼·外爾（Hermann Weyl）也說(shuō)過(guò)這樣一句話：“在我的工作中，我永遠(yuǎn)會(huì)努力將真實(shí)與美麗結(jié)合起來(lái)，但如果兩者之間只能選擇一個(gè)的話，我選擇美麗。”約翰·濟(jì)慈的那句詩(shī)，“美即是真，真即是美（Beauty is truth, truth beauty）”似乎不再成立，曾經(jīng)把畢生奉獻(xiàn)給真理的科學(xué)家，似乎已經(jīng)開始追尋一個(gè)完全不同的目標(biāo)。
這類言論，會(huì)不會(huì)僅僅是出于浪漫主義世紀(jì)末的時(shí)代精神？這么想是有道理的，但科學(xué)思想中的審美元素一直都存在。哪怕是20世紀(jì)中期列夫·朗道（Lev Landau）和葉夫根尼·利夫希茨（Evgeny Lifshitz）合著的，影響重大但以文字樸素而知名的《理論物理學(xué)教程》系列，也把廣義相對(duì)論稱為“可能是史上最優(yōu)美的理論”。在今天，像葛林這樣熱心物理學(xué)科普的人士有意識(shí)地將“優(yōu)美”作為物理學(xué)的賣點(diǎn)，研究量子力學(xué)的理論物理學(xué)家阿德里安·肯特（Adrian Kent）也認(rèn)為量子力學(xué)的某些修正過(guò)于“丑陋”，影響了它們的可信度。他說(shuō)：“不管怎么說(shuō)，在物理學(xué)領(lǐng)域，一個(gè)理論的優(yōu)美程度與其正確性總是有著出乎意料的聯(lián)系。”
那么問(wèn)題來(lái)了：物理學(xué)家所說(shuō)的“優(yōu)美”，到底指的是什么？
有些科學(xué)家有點(diǎn)羞于回答這個(gè)問(wèn)題。諾獎(jiǎng)得主、量子力學(xué)先驅(qū)之一保羅·狄拉克（Paul Dirac）同意愛(ài)因斯坦的觀點(diǎn)，他在1963年曾經(jīng)明確表示：“在我看來(lái)，一個(gè)方程擁有美感，比它符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為重要。”但被問(wèn)到這種“美感”到底指什么時(shí)，他卻回答不上來(lái)了。他說(shuō)：“數(shù)學(xué)的美和藝術(shù)之美一樣，是無(wú)法定義的。不過(guò)只要是學(xué)數(shù)學(xué)的人，不費(fèi)吹灰之力就能感受到它。”這樣的話語(yǔ)聽起來(lái)與當(dāng)時(shí)的藝術(shù)評(píng)論何其類似，以至于讓我們害怕這種“審美”會(huì)同當(dāng)時(shí)的藝術(shù)評(píng)論一樣，混雜著偏見(jiàn)和專制作風(fēng)。
好在去年11月，理論物理學(xué)家尼馬·阿爾卡尼-哈米德（Nima Arkani-Hamed）挺身而出，詳細(xì)講述了對(duì)于他和他的物理學(xué)家同事們來(lái)說(shuō)，“優(yōu)美”到底意味著什么。在前人都遮遮掩掩的情況下，他的解釋就更顯得難能可貴。在倫敦科學(xué)博物館關(guān)于大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的展覽開幕時(shí)，他與著名小說(shuō)家伊恩·麥克尤恩（Ian McEwan）對(duì)話，談到：“我們認(rèn)為一個(gè)思想很‘優(yōu)美’，并不是出于有些‘任性’的審美。”
這不是在追趕潮流，也不是出于社會(huì)環(huán)境因素。有很多我們現(xiàn)在看起來(lái)美的事物，將來(lái)的人們不一定會(huì)覺(jué)得美，但你在今天覺(jué)得優(yōu)美的理論，在十年后依然會(huì)覺(jué)得優(yōu)美，而且會(huì)永遠(yuǎn)優(yōu)美下去。為什么？因?yàn)槲覀兯f(shuō)的理論之“美”，其實(shí)是一系列其他因素的簡(jiǎn)稱。我們所發(fā)現(xiàn)的描述自然的定律，多多少少都帶有一種必然性：真正的基本原理就只有很少的那么幾條，而且一旦你對(duì)它們產(chǎn)生了足夠深入的了解，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們只能以這種方式工作，除此之外沒(méi)有別的辦法。當(dāng)我們說(shuō)一個(gè)理念“優(yōu)美”的時(shí)候，我們所指的其實(shí)是這個(gè)。
那這與藝術(shù)上的美感是否有什么聯(lián)系？阿爾卡尼-哈米德對(duì)此也做出了猜測(cè)。他舉了貝多芬作為例子——貝多芬在寫作其第五交響曲時(shí)，據(jù)稱是“非常努力地讓最終的作品完美符合其內(nèi)在的邏輯結(jié)構(gòu)”。
貝多芬是出了名地喜歡在他的音樂(lè)中嘗試無(wú)窮無(wú)盡的變奏和各種各樣的方向，為了找出最“正確”的途徑，把自己的手稿涂得斑駁難認(rèn)。小說(shuō)家和詩(shī)人也可能會(huì)像強(qiáng)迫癥患者一樣尋找最貼切的字眼：讀帕特里克·懷特（Patrick White）的小說(shuō)或是佩內(nèi)洛普·菲茨杰拉德（Penelope Fitzgerald）的晚期作品時(shí)，你也會(huì)產(chǎn)生同樣的感覺(jué)，每個(gè)單詞都是完美的，都有其邏輯上的必然性。
但這畢竟是少數(shù)情況。在大多數(shù)時(shí)候，讓藝術(shù)綻放光彩的并不是其自身的必然性，而是藝術(shù)家做出的決定。讓我們驚嘆的不是每一個(gè)單詞、每一個(gè)音符、每一筆色彩是“合適的”，而是它們整體給了我們啟示。藝術(shù)創(chuàng)作不是一個(gè)確定性的過(guò)程，而是藝術(shù)家感性的心靈不斷地做出令人驚異又賞心悅目的選擇。純數(shù)學(xué)家從偉大的證明中享受到愉悅，不是因?yàn)樗鼈兪钦_的，而是因?yàn)橥高^(guò)它們，我們能切身體會(huì)到天才的閃光瞬間——他們想到了普通人想不到的那一步。
“今天我們覺(jué)得美的事物，很難一直美麗下去。”阿爾卡尼-哈米德指出，科學(xué)上所追求的“優(yōu)美”與當(dāng)前藝術(shù)文化的主流毫無(wú)關(guān)系。美是不能離開觀眾而獨(dú)立存在的，我們會(huì)覺(jué)得拉斯科洞窟中的舊石器時(shí)代壁畫很美，但同時(shí)也要承認(rèn)所謂的美，在很大程度上取決于當(dāng)代時(shí)尚潮流和社會(huì)學(xué)因素。我們?nèi)耘f能欣賞古典藝術(shù)，但幾百年前的人們會(huì)欣賞現(xiàn)在的現(xiàn)代藝術(shù)嗎？
阿爾卡尼-哈米德對(duì)科學(xué)之美的再定義，帶著典型的物理學(xué)家的特征。這其中的部分原因，可能是因?yàn)槲锢韺W(xué)家都是柏拉圖主義的傳人，相信宇宙有其秩序。這簡(jiǎn)直可以說(shuō)是研究物理的先決條件——如果你從根本上就不相信有規(guī)則存在，尋找規(guī)則又有什么意義呢？麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家馬克斯·泰格馬克（Max Tegmark）甚至斷言真實(shí)世界的基本結(jié)構(gòu)就是由數(shù)學(xué)組成，令人想起柏拉圖在《蒂邁歐篇》中最極端的描述。
但柏拉圖主義是不會(huì)與主流審美思想產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的——這甚至不是因?yàn)榘乩瓐D本人厭惡藝術(shù)（他在理想國(guó)中就沒(méi)有給“謊話連篇”的詩(shī)人留下位置）。這要從康德開始說(shuō)起：康德在1790年寫的《判斷力批判》一書中嘗試將對(duì)美的欣賞與理解一個(gè)想法或辨別出一種模式時(shí)所產(chǎn)生的滿足感分離開來(lái)，他認(rèn)為，理解一個(gè)概念所能給予我們的是解決問(wèn)題的滿足感，而非心智因美麗事物而自由馳騁所帶來(lái)的愉悅。換句話說(shuō)，美之所以為美，不是因?yàn)樗鉀Q了問(wèn)題，而是因?yàn)樗蜷_了想象空間。
物理學(xué)家可能是在柏拉圖的道路上走得最遠(yuǎn)的，但他們并不是孤獨(dú)的�；瘜W(xué)家心目中的“美”就是分子的形狀很可愛(ài)——通常來(lái)自數(shù)學(xué)上的對(duì)稱性，如像足球（或者嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，是個(gè)截角十二面體）一樣的巴克敏斯特富勒烯。當(dāng)然，這只是數(shù)學(xué)崇拜的另一種表現(xiàn)形式，將某些規(guī)律性特征歸結(jié)為美，而這在藝術(shù)上可不一定算是美的。布賴恩·葛林號(hào)稱：“在物理學(xué)和藝術(shù)中，對(duì)稱性都是審美的核心組成部分之一。”但在柏拉圖眼里，藝術(shù)是缺乏對(duì)稱（或者說(shuō)是可理解性）的，而正是這一特性阻礙了藝術(shù)成為真正的美。藝術(shù)太混亂了，以至于無(wú)法做到優(yōu)美。
康德則從另一個(gè)角度為主流藝術(shù)辯護(hù)了一番：“數(shù)學(xué)中的那種僵硬呆板的對(duì)稱性，天然違背我們的審美口味。”它讓我們厭煩，正如我們厭倦了簡(jiǎn)單的童謠兒歌一樣。藝術(shù)史學(xué)家厄恩斯特·岡布里奇（Ernst Gombrich）在1988年曾說(shuō)，太多的對(duì)稱性就意味著“一旦我們牢牢掌握了秩序原則……就不再有意外出現(xiàn)的可能性了”。他認(rèn)為，藝術(shù)之美在于對(duì)稱性與不對(duì)稱性之間的張力：“是兩股相等勢(shì)力之間的對(duì)抗，一頭是無(wú)形的混沌，我們可以加之以思想，另一頭則是過(guò)分形式化的單調(diào)體系，我們可以為它增添新的活力。”其實(shí)早在17世紀(jì)，弗朗西斯·培根就深刻地意識(shí)到了這一點(diǎn)：“舉凡最美之人，其部位比例，必有異于常人之處。”
或許我對(duì)化學(xué)家有些不公平了，那些方形的、六棱柱型的分子各有其有趣之處，但培根、康德和岡布里奇對(duì)他們審美觀的質(zhì)疑是有道理的。化學(xué)哲學(xué)家約阿希姆·舒默爾（Joachim Schummer）在2003年指出，如果將美重新定義為對(duì)稱，就太狹隘了，這也不符合藝術(shù)理論的主流傳統(tǒng)。美術(shù)館里展出的作品不是完美的球體，總歸是有原因的。
為什么科學(xué)家不能自己給美下個(gè)定義呢？他們或許是可以的，說(shuō)不定還應(yīng)該這樣做。即使他們選擇的新標(biāo)準(zhǔn)有狹隘之嫌，如果對(duì)“美”的狂熱崇拜不會(huì)動(dòng)搖實(shí)驗(yàn)證據(jù)的首要地位的話，似乎也沒(méi)那么壞。在科學(xué)上，不論你是名揚(yáng)海外、學(xué)富五車還是著作等身，如果你的理論不符合大自然的實(shí)際，它就只能成為歷史。但如果只有實(shí)踐是檢驗(yàn)理論的最重要標(biāo)準(zhǔn)，為什么要讓“美麗”這種定義模糊的東西進(jìn)來(lái)橫插一腳，成為額外的仲裁者呢？
“優(yōu)美理論”的擁護(hù)者可能會(huì)說(shuō)，從過(guò)往經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，真實(shí)的理論往往是優(yōu)美的。廣義相對(duì)論確實(shí)既真實(shí)又優(yōu)美，但其他的理論可不一定，四色定理就是個(gè)例子：這個(gè)定理的內(nèi)容是你可以只用四種顏色來(lái)填充所有地圖，使任意相鄰的兩區(qū)域顏色都不相同。1879年，英國(guó)數(shù)學(xué)家Alfred Kempe似乎發(fā)現(xiàn)了一個(gè)證明——這個(gè)證明十分優(yōu)美，因此在出現(xiàn)之后的10年內(nèi)被廣泛接受，但它是錯(cuò)的。該定理現(xiàn)在的證明丑陋極了，它依賴于簡(jiǎn)單粗暴的計(jì)算機(jī)大規(guī)模搜索，以至于有些數(shù)學(xué)家拒絕接受這個(gè)證明是有效的——但可能事情的真相就是這樣。而數(shù)學(xué)上出名的費(fèi)馬大定理也是如此：該定理本身的表述極其簡(jiǎn)潔而優(yōu)雅，可它的證明（由數(shù)學(xué)家Andrew Wiles于1993年提出）卻長(zhǎng)達(dá)100多頁(yè)，比巴黎的蓬皮杜中心（Pompidou Centre，法國(guó)前衛(wèi)藝術(shù)的中心，以建筑奇特而知名）還要復(fù)雜，跟簡(jiǎn)潔和優(yōu)雅完全沾不上邊。同樣，沒(méi)有任何跡象表示存在比這更簡(jiǎn)單的證明。
只要我們仔細(xì)研究一下科學(xué)史，就不難發(fā)現(xiàn)有的證明和理論很優(yōu)美，但實(shí)際上是錯(cuò)誤的，而有的正確理論卻極其復(fù)雜。從來(lái)沒(méi)有人證明優(yōu)美一定和正確相掛鉤。過(guò)于相信“優(yōu)美”，也就是所謂優(yōu)雅的簡(jiǎn)潔，可能會(huì)使我們的探索偏離方向。在化學(xué)這個(gè)為數(shù)不多的我自信有相當(dāng)了解的科學(xué)領(lǐng)域，有這樣一個(gè)事實(shí)：疏水顆粒浸沒(méi)在水中時(shí)會(huì)彼此吸引。1959年，有人提出了一個(gè)解釋，說(shuō)這是熵的作用產(chǎn)生的效果，疏水分子聚集在一起的時(shí)候無(wú)序度（即熵）更高，而大自然總是傾向于向無(wú)序度更高的方向前進(jìn)。這個(gè)解釋如此簡(jiǎn)潔而令人滿足，以至于一直到今天還在繼續(xù)流傳，但很遺憾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明它是站不住腳的，而真正的解釋極為復(fù)雜冗繁。
對(duì)于生物學(xué)家來(lái)說(shuō)，自然選擇原則也是個(gè)極美的思想：它的簡(jiǎn)潔性和巨大威力，將充斥著矛盾與警報(bào)的世界變得秩序井然�？赡芫褪浅鲇谶@個(gè)原因，讓他們不惜一切代價(jià)維護(hù)這一理論，以至于一旦有人提出該理論的局限性、例外，或是妥協(xié)讓步，都會(huì)引起近乎宗教式狂熱的紛爭(zhēng)。
認(rèn)為簡(jiǎn)潔引導(dǎo)著真相，換句話說(shuō)就是認(rèn)為“奧卡姆剃刀”原理（簡(jiǎn)單即有效）是了解自然的有力工具，但這只是科學(xué)共同體內(nèi)一部分人內(nèi)部的約定俗成罷了，上面提到的例子也表明，它并不一定正確�；蛟S這只是一個(gè)邏輯上的假設(shè)，建立在“所有其他條件都相同”的情況下，但在現(xiàn)實(shí)的科學(xué)中，哪有真正的“所有其他條件都相同”呢？大多數(shù)時(shí)候，這些實(shí)驗(yàn)會(huì)支持這個(gè)理論，那個(gè)實(shí)驗(yàn)會(huì)支持那個(gè)理論，無(wú)法以“簡(jiǎn)約”作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行裁決。
而可以確定的是，至少在審美方面，簡(jiǎn)潔不是必需的要素。在音樂(lè)和視覺(jué)藝術(shù)上，似乎存在著一個(gè)最佳的復(fù)雜度水平，不管是低于它還是高于它，審美者的喜愛(ài)程度都會(huì)下降。換句話說(shuō)，欣賞程度隨著復(fù)雜度呈倒“U”形變化，這就是為什么喜歡披頭士的人要多于“一閃一閃亮晶晶”，也多于20世紀(jì)法國(guó)作曲家皮埃爾·布列茲（Pierre Boulez）所創(chuàng)作的復(fù)雜詭異的鋼琴作品。對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，我們的品味天然地對(duì)過(guò)于極端的作品敬而遠(yuǎn)之。
阿爾卡尼-哈米德以及其他物理學(xué)家極其珍視必然性和簡(jiǎn)潔性，但諷刺的是，對(duì)大自然背后“終極理論”的探尋，卻前所未有地遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離了這兩個(gè)原則。萬(wàn)有理論的候選——弦論現(xiàn)在有不少于10^500個(gè)變體，或許在將來(lái)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)像愛(ài)因斯坦一樣的天才，從這10^500個(gè)理論中找出正確的那一個(gè)，但至少現(xiàn)在追尋優(yōu)雅的終極理論的物理學(xué)界還處于一片茫然之中。
堅(jiān)持認(rèn)為美的就該是真實(shí)的，可能還會(huì)讓科學(xué)家陷入一個(gè)危險(xiǎn)的循環(huán)中，以為真實(shí)的都應(yīng)該是美的。很多化學(xué)家認(rèn)為由原子電子分層排布所決定的元素周期表在形式上應(yīng)該是美的，而在目前通用的平面方格周期表上氫元素和鑭系、錒系等元素卻出現(xiàn)了不和諧的“凸起”，許多化學(xué)家因此嘗試了各種各樣新的周期表結(jié)構(gòu)，包括螺旋形、超立方體形、金字塔形等等，妄圖找到柏拉圖式完美的元素周期表，但這看起來(lái)已經(jīng)更像一種無(wú)謂的堅(jiān)持。
但盡管如此，我也不希望科學(xué)家完全拋棄對(duì)美的追求。在科學(xué)中，任何能激發(fā)靈感的想法都是寶貴的，如果對(duì)美的追求——當(dāng)然，指的是科學(xué)意義上，而非藝術(shù)意義上的美——能激發(fā)科學(xué)家的靈感，不妨繼續(xù)保持下去。而如果追求美的過(guò)程讓科學(xué)家從居高臨下的講壇上下來(lái)，提供了一個(gè)讓科學(xué)與藝術(shù)對(duì)話的機(jī)會(huì)，那就更好了。我只是希望科學(xué)家能意識(shí)到一點(diǎn)：他們?cè)?ldquo;美”（beauty）這個(gè)原本模糊而日常的詞語(yǔ)上附加了太多他們自己的要求。與其像伊恩·麥克尤恩一樣接受這種對(duì)美的新定義，我更希望能有藝術(shù)家站出來(lái)提醒他們：“不，你們所說(shuō)的美與我們的美毫無(wú)干系。”
如果想要讓科學(xué)中的美與藝術(shù)的審美產(chǎn)生真正的聯(lián)系的話，我希望純粹從人的方面來(lái)找尋：精妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、優(yōu)美的理論邏輯、清晰的闡釋、富有想象力的推理。這些要素不是一個(gè)理論正確、一個(gè)實(shí)驗(yàn)成功，或是一個(gè)解釋讓眾人著迷的關(guān)鍵，但它們無(wú)疑是可愛(ài)的。和真理或自然不同，“美”是由我們?nèi)祟愖约寒a(chǎn)生的。（撰文：菲利普·鮑爾（Philip Ball） 翻譯：丁家琦）
菲利普·鮑爾是英國(guó)的一名科學(xué)作家，他為《自然》、《新科學(xué)家》（New Scientist）和《展望》（Prospect）等雜志都撰寫過(guò)文章，他最新的書名為《看不見(jiàn)的誘惑》（Invisible: The Dangerous Allure of the Unseen，2014）。
責(zé)編：微科普