演讲 | 张双南（中国科学院高能物理研究所研究员）

视频制作 | 北京听道

视频校对 | 陈晓雪、李尚瑾

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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。

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？

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？

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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”。

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。

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。

这个广义美的法则就是——没缺陷、不常见。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。）

下面再给大家看几个照片，大家认为的美景的照片。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

我的报告就到这里。谢谢大家！

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。