浅析科学美——以地球科学为例

本文是以自然科学工作者的角度出发，在已有知识背景与前人理论研究的基础之上，对科学美的含义与表现进行在思考，将科学美划分为科学本身之美与科学研究给人们带来的美两方面，结合地球科学实例，阐述了科学本身具有的对称之美、重复之美、统一之美，以及科研过程与科研成果分别带给人们的美的感受，最终认为科学美应与艺术美具有同等重要的价值。

1 科学美的含义

20世纪以来，在科学迅速发展的大环境下，美学从艺术的局限范围中走出来，科学美的概念由此诞生。科学美泛指存在于人类创造性的科学发明和发现活动中的美。它是在人类审美心理、审美意识达到较高发展阶段，理论思维与审美意识交融、渗透的情况下，才得以产生。科学美在提出之初，其实在性并未得到完全认可，原因在于科学往往被认为是理性，客观，绝对严谨而真实的，而审美更强调人的情感与感受，并不强调事实的真实性。随着科学的进步和发展，人们逐渐意识到科学中“美”的普遍存在，科学美的概念也逐渐被人们所熟知和接受。

在美学的定义中，科学美是指那些既不脱离具体客体，又赋予理性内涵的，充分体现出合理而巧妙的形态、结构、规则、秩序的自然现象、研究方法、研究过程或研究结果。物理学家杨振宁层将物理学指美概括为现象之美、理论描述之美与理论结构之美。纵观前人的观点，我认为科学美可以分为两大类：科学本身之美与科学研究中产生的美感。前者侧重于科学理论、自然现象中体现出来的逻辑性与规律性，后者则侧重于在科学研究给人们带来的美的感受。

2 科学本身之美

科学本身之美，来自于科学现象、科学理论本身所体现出来的逻辑性和规律性。具体可以包括：对称性、重复性、统一性等等。下面给出一些地球科学中体现出来的科学本身之美的实例。

2.1 对称性

地球科学是以数学、物理、化学、计算机等基础科学作为基本研究工具对实际观测地球的科学现象进行研究，从而揭示地球形成与演化、地球与其空间环境以及人类与地球关系的科学。不论数学推导与实际观测都充分表明，地球科学具有很强的对称性之美。比如宏观上地球是一个两极稍扁、赤道略鼓的近规则椭球面；地磁场以及一切磁体都有N、S两极；再比如在海底扩张学说中，地球科学家发现古地磁特性随着洋中脊对称分布，且随着地磁倒转现象呈条带状地正负规律排列等等。

2.2 重复性

在地球科学中常体现出很强的可重复性或更替性。最常见的日出、日落、月圆、月缺便是由于日—地—月系统做周期性自转与公转所致；全球温度的长期变化满足周期性重复的规律。在板块学说中，“威尔逊循环”被用于描述大洋板块从孕育、生长、成熟、衰老到消亡的全过程。无论是在大的地质时间尺度(以百万年计)，还是小的微观尺度上；无论是宏观还是微观的空间尺度上，这样的重复性，或者是循环更替之美都是普遍存在的。

2.3 统一性

这里的统一性是指将一种规律或现象完美地外推至其它的情形，也可以成为科学规律的普适性。以地球物理学为例，利用物理方法研究地球的手段主要包括重力、磁性、电性、弹性等几个大类，无论哪一类物理性质，它们在描述地球物理场时都会使用时空相关的四维偏微分方程进行讨论。更具体地，地球内部热量的扩散过程所满足的热传导方程，同时也可以描述地下水的运移扩散过程。

3 科学研究给人们带来的美

3.1 科研过程中美的感受

任何科研工作者在投身科研的过程中，都会经历确定科学问题→广泛调研→寻找研究思路和方法→反复实践与失败→得出结论或结束课题的全过程。在这个过程中，无论是发现有趣的科学现象，还是从前人智慧的结晶中汲取经验，抑或是大胆尝试验证自己的想法和猜测，都是非常有趣的实践；但与此同时，在非科研工作者眼中，这样的经历和体验可能并不是有趣甚至是枯燥和乏味的。所以这种难以用统一的、客观而严谨的标准去定义的人自身的感受，恰恰与美学上对于审美的定义相吻合，也就是科学研究过程带给人们的美感。

3.2 科研成果带来的美的感受

每当科学研究出现突破或进展时，这种攻克困难、经历失败而后成功的感觉给科研人员带来的愉悦与畅快是难以言状的。最终得到的科研成果，往往是揭示了有趣的科学现象背后的物理机制，或者是支持或打破了以往对于某种科学规律，甚至是对未来可能发生的科学现象进行的推测。对于有意义的科学问题，其科研成果必定是对于学科本身的发展、人类对于地球的认识，以及更好地推进人与地球和谐共处具有积极意义的。所以这样的科研成果本身带来的积极的作用，不仅是对于科研工作者群体本身，更是对于全人类都有着重要意义的。可以说，至少在这个层面上，科学美的价值与艺术之美的价值是有着同等重要的地位的。

4 结论

本文通过对科学美定义的归纳与再理解，将科学美划分为两大部分，即科学本身之美与科学研究带给人们的美，结合以往的学习经历与认知，以从事自然科学研究者的角度出发，给出了地球科学中科学美的实例，论证了科学美的实在性和重要价值。