孙兢喆 摄

　　主讲人 张双南

　　张双南，中国科学院高能物理研究所研究员、粒子天体物理中心主任和中国科学院粒子天体物理重点实验室主任。英国南安普敦大学博士。

　　近日，张双南受邀来到市图书馆“天一讲堂”为市民做讲座，用尽量通俗易懂的语言讲述科学与美学的关系，重点是关于欣赏广义相对论与引力波之美。

　　审美法则：“没缺陷”与“不常见”

　　自然科学研究有“三段式”的研究方法，关于美学也不妨这么做。第一是“归纳”，归纳一下不同类型的美有什么共同点，由此可以得到一个初步法则。然后要“证实”，要看看这个初步法则是不是适用于所有的美？最后一步，就是“证伪”。证伪就是举反例，如果有的审美对象明显不符合所确立的那个美的法则，但是我还觉得美，那就说明这个法则是有问题的，得修改。

　　我做了30多年研究，得到的这个审美法则是什么？很简单，只有六个字：“没缺陷、不常见”。我相信很多人此刻大脑里已经出现了“断臂维纳斯”这个例子。“断臂维纳斯”被称为“残缺之美”。残缺不就是有缺陷吗？这是一个反例，对不对？但是雕塑没有实用功能，所以雕塑的断臂不是缺陷，它是艺术品。这个作品美，还因为它的表达方式不常见，它特意制造出这样一种现象，然后引起感情的共鸣。

　　有句话叫做“距离产生美”。但实际上，距离产生美的原因不是距离，而是因为距离掩盖了缺陷，是因为在远处看不到细节，看不到缺陷。所以传统美学的一个重要误区，就是混淆了审美对象（比如说艺术品）和艺术品所描述的对象，传统美学里面讲的残缺美、缺陷美都是不对的。有时候，不是艺术品有残缺，而是艺术品所描述的对象有残缺。我们认为艺术品美，未必会认为艺术品所描述的对象也一定美。

　　由审美法则看科学创新

　　那么科学技术创新的本质，从美学的角度来考察到底是什么？

　　技术创新就是弥补缺陷。人跑得不快，就创造出汽车、火车、飞机，那就是在弥补人的缺陷，对不对？然后创造“不常见”。以前没有飞机，现在有了，这就是创造出来的一个“不常见”。科学创新是什么？是修正缺陷。牛顿理论有缺陷，后来就变成了广义相对论。爱因斯坦的广义相对论先是修正缺陷，然后发现“不常见”，如新的天体、新的科学规律。所以科学创新是修正缺陷，发现“不常见”。

　　所以我说，科技创新的本质就是对美的追求。广义相对论是在牛顿力学的基础上建立起来的。关于牛顿力学体系，实际上用两句话就说完了。第一句话，牛顿是把伽利略已经建立的理论，变成了牛顿第一定律和牛顿第二定律；第二句话，牛顿第三定律是牛顿的原创，再加上万有引力定律，然后就得出了开普勒三大定律。

　　当时没有人明白，为什么太阳系行星的运行要满足开普勒定律，但是牛顿从他的科学原理出发推出来了，这在当时来讲是不得了的事情。从美学的角度来考虑，我们首先看，在“没缺陷”这方面它的表现是什么？牛顿解释了当时所有已知的相关观测和实验现象，全部解释了。

　　在“不常见”方面，牛顿正确地预言海王星的存在及其轨道。正是海王星的发现，彻底确立了牛顿理论作为第一个自然科学理论体系的正确性。所以这个理论在当时来看，应该是在“没缺陷”、“不常见”这方面都到了极致的科学理论。

　　但爱因斯坦认为，牛顿力学理论在理论与有用性方面均存在缺陷。因此，爱因斯坦建立了广义相对论。关于广义相对论，我也用两句话来说：

　　第一句话它体现了理性思维的辉煌。这体现在爱因斯坦提出了“引力质量和惯性质量的等效性原理”。我们每个人都有惯性，同时也受到地球的引力，爱因斯坦认为产生惯性的是惯性质量，产生引力的是引力质量，它们是两件不同的事情，但又是等效的。

　　另外一句话，就是它是物理和数学结合的典范。假设电梯在加速下降，在电梯里的你看一看窗外的东西，你会发现你的空间是弯曲的，为什么是弯曲的？因为你在单位时间内移动的距离不再是恒定的，你的速度越来越快，你在单位时间内看到的外面的东西越来越多，所以你就不能再用欧几里得几何描述日常的平直空间了，你需要描述弯曲空间的黎曼几何。爱因斯坦把黎曼几何应用到了引力质量和惯性质量的等效性上，就得到了广义相对论。

　　以“没缺陷”和“不常见”法则

　　欣赏广义相对论与引力波之美

　　有人说广义相对论方程是最美妙的方程。如果只看这个方程，我也看不出它美妙在哪里，只有把它的“没缺陷”与“不常见”讲清楚才能体会到它的美妙。我们知道，在平直时空里，两条平行线永远不会相交，两条平行线相交一定是在弯曲空间里发生的。同样，三角形内角之和，在平直空间里是180度，而在弯曲空间里它是可以大于或小于180度的。

　　下面就要给大家讲万有引力的本质以及引力波了。用一句话概括，万有引力和引力波都是时空弯曲的结果。所以从根本上来讲，只要有时空弯曲就一定会有引力波，当然引力也是时空弯曲的一个结果，在平直时空里面是不可能有引力波的。

　　这件事情太重要了。地球绕着太阳转，并不是没事吃饱了撑着在转，而是由于太阳导致了它周围的时空弯曲了，地球以为它在走直线，但实际上空间弯曲了，所以只好围着太阳绕圈。

　　我们接下来从美学的角度来看一下广义相对论在“没缺陷”和“不常见”两个方面的表现。

　　理论方面的没缺陷，体现在它回答了引力的本质是什么。爱因斯坦质疑牛顿引力理论的地方，就是他问了“引力的本质是什么”，这个问题在广义相对论里面得到了解决。引力的本质就是质量导致时空弯曲，弯曲的时空决定了一切物质的运动，包括光线。光线原则上不走平直的空间，而是走弯曲的时空，只是在我们的日常空间里这弯曲度太小了，我们以为它走的是直线。

　　广义相对论在实用性方面也没缺陷，体现在它在弱引力场情况下和牛顿引力理论所说是一样的，因此牛顿理论能够解释和应用的地方它全部适用，牛顿理论里面凡是没缺陷的地方它也没缺陷，但是它又比牛顿理论更加精确，牛顿理论不适用的地方它也完全适用。

　　广义相对论的“不常见”体现在什么地方？它是第一个把物质和时空建立了深刻联系的理论。我们知道，在广义相对论以前，甚至我们今天大部分人仍然认为空间是空间、物质是物质，物质在空间里面运动，对不对？但是相对论认为不是这样，物质和时空是相互联系的，而且它第一个揭示了时空在本质上是弯曲的，平直时空只是一个特例。

　　牛顿理论预言了海王星的存在，那么爱因斯坦的广义相对论预言了什么？它预言了特别多的东西，如黑洞的存在、宇宙的膨胀、引力偏折即引力透镜现象，还有引力红移、引力波等，这些预言全部被观测证实了。所以说这是一个极为不常见的理论。

　　而引力波事例又是一个目前看来完全没有缺陷的事例。

　　记者 陈晓旻 整理