自然科学作为人们对自然现象的探求进而认识自然规律的理论与活动，在其认识过程中，充分显现与揭示了自然现象及其规律美的特质，这种对美的开显有赖于科学主体关于科学的美感，而这科学美感的存在又基于科学真与美的深刻关联。科学美感反过来又具有巨大的助发现功能，在科学发现过程中发挥着重要的作用。

一、基于真与美相关联的科学美感

科学美感的形成离不开真与美极其关联，这种关联的过程与环节无疑是非常复杂的，科学美感与一般美感既有共同性，又有特定的内涵与特质。

1.科学真与美的关联

作为探求真理的理论和活动，科学与真具有密切的联系。这里真指真理的真。作为对真的追求，科学旨在把握自然现象的一般规律。在科学实践中，科学探索活动遵循合规律性原理，这合规律性意指主体的认识对客观规律的符合与顺应，它包含了作为真理的真。早在古希腊，巴门尼德就认为，科学的任务在于认识“存在”，这是因为只有这种对本质的认识才提供“真理”，而认识“非存在”只能得到意见，他将真理与意见相区分。柏拉图认为，真理的知识是思维对理念也即可知世界的洞见，而思维是用概念进行这种活动的。科学是通过纯粹思想来探究关于可知世界的真理知识的学问，他进而把科学与意见区别开来。近代笛卡尔首开理性主义先河以来，科学已成为以实验为基础，以数学为重要手段的理性事业，它业已成为发现真理的重要途径。

纷繁复杂和奥妙无穷的自然界，隐藏着不少真的东西有待于人们通过科学去揭示，同时，大千世界也存在着许多美的东西等待着人们去发现。科学不仅关涉着真理，也是开显美的重要方式，这种开显的可能性基于真与美的关联。早在两千多年前，人们便对数学、天文学、物理学、生理学等领域广泛存在的美已有所体会。近代以来，在科学不断发展的历程中，美被不断地揭示出来。科学美与真和美的关联分不开，同时科学美又有别于自然美。一般来说，自然美直接诉诸于人的感官，看得见、听得到，甚至摸得着。人们欣赏自然美，往往会情不自禁地生发出一种单纯的生理快感和精神愉悦。而科学美既基于自然美之上，同时，又比自然美更深入，它还关注那些较深层面上的美，有时甚至不一定表浅地外显并简单地愉悦感官。同时，科学美也不同于艺术美。艺术美一方面与艺术作品相关，另一方面给人眼、耳等审美感官的刺激较强烈。相对来说，科学美表现得较为内在与含蓄。

2.科学美感及其内涵

科学美感是关涉到科学的一种美感，美感在美学中是与美的问题同等重要的问题。一般而言，美感有广狭义之分，广义的美感指审美意识;狭义的指审美感受。从古希腊开始到近现代，对美感的研究一直是美学的重要课题。主要有两种基本观点，一是倾向于主观方面，认为美感是纯主观的产物。柏拉图认为美感是人的灵魂在迷狂中对理想世界的回忆和凝神观照时产生的欣喜。19世纪以后，出现了多种多样的学说如费肖尔父子的移情说、谷鲁斯的内摹仿说、布洛的心理距离说、克罗齐的直觉说、桑塔耶那的客观化的快感说等。另一种观点则倾向于反映论，早期唯物主义把美感看是人的生理机能的反映。博克认为美感通过想象来满足人的情欲，仍然是从生理入手的。达尔文认为，凡动物均有美感。弗洛伊德把美感看成是人的性本能的升华。此外，还有费尔巴哈、车尔尼雪夫斯基等，均把美归于人的自然性上。这两种典型看法，各自都提出了一些独特的见解，内中也存在着许多区别。同时，均有失之简单和片面之处。

美作为对引起人们美感的客观事物的本性的揭示，在康德看来，审美须遵循合目的性原理，这原理表明审美是无目的的，且不涉概念，能产生愉悦的情感。许多思想家、美学家，都谈到过真与美的关系。在柏拉图看来，理念是唯一真实的存在，自然只是理念的摹本，而摹仿自然的艺术就是摹本的摹本，因此美与真相隔了两层。亚里士多德认为，美可以反映真，艺术比历史还真实，他比柏拉图更强调二者的相关性。康德由于认为美不涉概念，而科学通过知性必然要诉诸概念及其系统，因而，他把真与美作了内在的区分。但他同时也看到了它们的关联。他说：“判断力以其自然的合目的性的概念在自然诸概念和自由概念之间提供媒介的概念，它使纯粹理论的过渡到纯粹实践的，从按照前者的规律性过渡到按照后者的最后目的成为可能。”[1]在他看来，正是艺术与美打通了由悟性、自然到理性、自由的道路。他对真善美的区分与统一以及对整个美学的发展都作出重要的贡献。

关于美感的认识从古到今也纷争不已，莫哀一是。也许柏拉图早就觉察到了这一点，他说：“美是难的”[2]科学美感同样也是难的。一般说来，“所谓科学美感，即是指科学家在对科学美的事实和美的理论的观照中，以及科学家在对科学美的追求和科学创造过程中，对客观存在着的美的主观反映、感受、欣赏和评价。”[3]科学美感关涉众多的相关因素，它是非常复杂的。在海德格尔看来，不只是科学相关于真理，艺术更是在生存境域上揭示与开显真理，他说：“美是真理开显的一种方式”。[4]从而更深刻地揭示了二者的关联。对于真与美的深刻关联，任何简单化的比附与概括，都难以得其要义，把握其意蕴，而科学美感正是基于二者的复杂关联，这也许正是科学美极其丰富多彩的表现形态之根由。仅从纯主观的或纯反映论的角度都不能很好地阐释科学美感。科学家凭着自己对自然界某一特定事物强烈的美感作用，开始探究自然与科学的奥秘，也正是这种美感将某特定的事物，从审美对象转化为科学研究的对象。在科学美感发生作用的过程中，科学家的创造力处于顶峰区，主客体的界限模糊、消融，进入一种现象学状态。科学美感还时常伴有直觉、灵感等特质，它发挥作用的机理也是异常复杂的。

二、科学美感的助发现功能

建立在真与美相关联基础之上的科学美感，在科学主体的科学探索活动中具有显著的助发现功能，这些功能主要体现在以下方面。

1.美感的对象化与科学对象的确立

科学美感在科学探索的早期，往往给科学家以极大的启发。由于受科学中美的诱导，科学家们集中自己的注意力于美的现象或者关系上，在美感的对象化中，科学家进而把这些美的现象联系作为自己的科学研究对象。这在科学思想史上，比比皆是。麦克斯韦在创建电磁理论的过程中，依据法拉第的实验研究结果，写出了电磁理论的两个方程，但两个等式的右边不对称，他从美学考虑出发，进行了修改，这种修改并没有什么实验依据，但其数学形式更优美，并导致了可喜的成果，后来被修改的方程也被实验证实。在科学美感的启迪下，科学家结合自己的科学问题以及社会亟待解决的课题，来确定自己的研究对象。科学美是通过科学家去发现和创造的，同时对科学美的追求本身也是科学发现的巨大动力。在伽利略看来，科学家的任务就是要去发现大自然的合理秩序与和谐，也就是去发现美。科学美感是在科学探索的长期实践中，逐渐地培养出来的，它总是以物化的感性形式呈现在主体面前，并内化为其内在情愫。由美感所感受的对象发展成为研究对象，经历了复杂的转化过程。科学美感与科学研究所面对的自然界都是“人化”了的自然界，但前者更多地与愉悦的情感相关，后者关涉理性更多，但即使作为研究对象，也仍然是审美的。当然，如果没有具有欣赏美的感觉器官，科学美感也是不可能形成的，当然这种美感也基于潜在对象的存在。正如马克思所说：“只有音乐才激起人的音乐感;对于没有音乐感的耳朵来说，最美的音乐毫无意义，不是对象，因为我的对象只能是我的一种本质力量的验证，……”[5]没有眼、耳等审美感官的感受及谐和嬉戏，不会形成美感，也更不能由美感而迁移到研究对象的设定。

2.刺激联想与激发创新思维

科学美感在科学发现与科学研究活动中，可激活科学家丰富的联想，进而产生创新思维，作出科学发现和取得重要的研究成果。正如英国物理学家廷德尔所说：“有了精确的实验和观察作为研究的依据，想象力便成为自然科学理论的设计师。”[6]如凯库勒受梦的启示，作出了关于苯环结构的发现。哈维在研究人体的血液循环时，就从哥白尼行星围绕太阳运行体系这一奇妙的思想中得到过启发，而“开普勒一定受到了毕达哥拉斯美的概念的影响，当他把行星绕太阳的转动和一根振动弦进行比较时，他发现，不同行星的轨道有如天体音乐一般奏出了和谐的和声。”[7]大西洋两岸的相似性给魏格纳以灵感，从而提出了大陆漂移学说。科学美感以情感愉悦为特征，正如钱德拉塞卡所说：“科学中有更多的证据表明，美常常是令人愉悦的源泉。”[8]当然，科学美感还同时渗进感知、想象等多种心理活动。由于具有良好的艺术修养和审美能力，爱因斯坦在他的科学研究中，这些因素发挥过重要的作用，他由此受益颇多。如他的狭义相对论的光速恒定原理和相对性原理的提出，作为基本假设，受到他在16岁时的理想实验的启发而联想到的。这个实验为：当一个实验者以光速追随一条光线运动，他会看到什么?他当时就想到应看到一个在空间里振荡着而停滞不前的电磁波。爱因斯坦本人既深刻地体会到了想象的重要作用，也有过高度的认识，他说：“对于整理和理解事件，重要的也许不是物体的行为，而是物体之间某种东西的行为，即场的行为，要充分领会这件事，那是需要一种大胆的科学的想象力的”。[9]这也充分说明，科学美感所孕育的联想与创新能力之于科学研究的重要意义。

3.选择尽可能简单的理论

科学的理论显现出来的美，往往既是和谐的，更是简单的。简单美是科学美的重要特征。李政道说过：“最重要的东西往往都是最简单的。就拿物理学来说，它的研究对象大至恒星、宇宙，小到微观粒子。但是，这些对象总是由几条基本原理管住。那些基本的东西，恰恰是最简单的，但却最重要。”[10]正因为如此，如果几个假说或理论经受住同样的经验检验，又能作出一致的解释或预测时，科学家的美感将促使他们选择简洁的那个假说或理论。图尔明认为，科学家根据自然秩序理想来解释科学事件。而科学的简单美显然与这种理想相关。英国近代哲学家洛克把观念分为简单观念与复杂观念，他认为简单观念是构成复杂观念或一切知识的基本材料，而复杂观念是通过简单观念构成的。虽然在逻辑上简单的理论并不一定正确，但许多正确的理论却往往是逻辑上简单的。科学史上，哥白尼体系比托勒密体系来得简单，这也是前者之所以代替后者的一个重要原因。最早提出简单性原则的要算奥卡姆了，西方中世纪哲学家与逻辑学家奥卡姆提出了一条简单性思维原则，其内涵是：如无必要，勿增实体。后人称之为“奥卡姆剃刀”。这一原则不仅在他本人的研究中起过作用，还对后世的学术发生了深远影响。而马赫与阿芬那留斯提出的思维经济原则，也可以说是科学简单性的一种重要原则，对于鉴赏与评价理论的优劣具有重要价值。现代科学中的审美简单性原则，则可看成是对这个原则的继承与发展。

4.对称破缺与奇异美的重要启示

对称与平衡是形式美的重要因素之一。对称指形式各要素在上下、前后、左右的相同或均等。古希腊美学家认为，身体的美在于各部分之间的比例对称。欧洲著名的哥特式建筑对称的特点也非常明显。平衡则是对称的一种变异，指对应双方左右、上下在形式上虽不一定对称，但在份量上是均等的。此外，形式美还有许多要素。美具有极大的复杂性与高度的不确定性，它不能被限定在任何一个固定的范式与枢架之中。有时出现不对称或一种对称发生破缺也会显得很美。自然界广泛存在着奇异美，突出表现在曲折、离奇和变幻莫测等方面，在科学的探索中也会出现这种奇异美。当然，科学上的对称破缺或奇异美未必是表观上的，它们往往出现在科学的内在关联与科学思想的深处，它们折射着自然界潜藏的奥秘与信息，值得认真关注。在科学史上，众多的科学发现都是由对称破缺以及各种新奇的东西即奇异美所诱发的，这种对称破缺和奇异美已成为科学发现的重要契机。杨振宁、李政道发现与确定了宇称守恒这种左右对称性在某种局部条件下不存在，即发生了对称破缺，在弱相互作用下宇称不守恒。这正表明了就物理学而言，较低层次对称性的破坏和较高层次对称性的建立，往往体现了物理理论的重大突破。对称破缺显然是奇异美的重要方面，它是一种超出常规的科学美的特殊表现。

5.科学美感的整合与格式塔效应

科学审美与一般审美一样，不能简单地分析或肢解为各部分和要素的简单加和，审美活动是整体的，这取决于科学美感的整合性，由此，为科学发现提供了格式塔视野。科学史上，如门捷列夫对元素周期表的预测、麦克斯韦方程组和波尔的互补原理等，无不体现了科学美感与科学审美的整合性。科学研究在外行人看来，是十分枯燥无味的，但对于科学家来说，虽然异常艰辛，却充满了乐趣，也为科学家带来了巨大的成就感。其中重要的原因之一在于，科学美感及其实现所带来的情感的深度愉悦对人的心灵的震撼。美感不仅与美相关，更与主体的内心世界相关涉。而刺激科学家产生美感的主要因素是研究对象的内在形式美，这种内在形式美是整合的，正如弗·培根所说：“没有一个极美的东西不是在调和中有着某些奇异。”[11]也即科学美与美感都是和谐整体，内中既有调和，也不乏奇异，这也许是科学美与美感的丰富性的基础。同时，在科学发现中，科学美感的整合性为人们提供了一种整体的视野。正如爱因斯坦所说：“从那些看来同直接可见的真理十分不同的各种复杂的现象中认识到它们的统一性，那是一种壮丽的感觉。”[12]这种整一性类似于心理上的格式塔，科学美感的存在及其作用的发挥都是整体性的，这种整体性不能被分解为各简单部分的加和。只有从整体性出发，才能充分理解与把握科学美感的整体性功能，使人们从全面的、互动的整体找到发现的契机。

三、助发现功能充分实现的条件

科学美感的助发现功能的充分实现是有条件的，作为科学家或科学工作者必须具有良好的科学鉴赏或科学美的感悟力，这在很大程度上取决于科学与美的教育。同时，良好的交流环境与自由的创造境域也是十分重要的。

1.美育与科学美的教育

在科学教育中，应加大人文教育的渗入，尤其是关于科学美的教育，同时，也应把美育与科学教育作充分的结合，这是素质教育的必然要求。美育又称审美教育，是一种通过美来培养人的形象化的情感教育。它以特定时代的审美观为依据，以形象为手段，以情感为核心，以实现人的全面发展为宗旨，是实现素质教育的有效途径。艺术教育是美育的重要方面，罗恩菲尔德把艺术教育与创造力关联起来。“他认为艺术教育的目的是培养和发展创造力，而关于这种创造力能够转入人类其他活动领域的允诺，实现上可以由所有领域中的创造力都是相同的这一事实而予以兑现。”[13]通过美育，可以使人具有美的理想、美的情操、美的品格和美的素养，具有欣赏美与创造美的能力等等。美育作为审美和教育的结合由来已久。早在古希腊，在城邦保卫者的教育中就有艺术教育的内容。我国在春秋时期就已非常重视“诗教”与“乐教”。但美育这一概念与学科，则是德国诗人和美学家席勒于18世纪末首先提出和建立的。在他看来，美育的目的在于“培养我们感性和精神力量的整体达到尽可能和谐。”[14]美育中的感性和审美教育与人们的直觉、顿悟和科学鉴赏等方面密切相关。因此，在各级各类学校的教育中都应增加科学美与美育的内容，这无疑会完善人们的认知结构，培养创造性思维的品质，并在科学探索中更好地实现其助发现功能。

2.科学家与艺术家的广泛交流与合作

不同学科与领域中的科学家最佳创造力出现的时间是不一样的。化学家奥斯特瓦尔德认为，随着年龄的增长会出现创造力衰竭的现象，很大程度上是对同一问题长期接触所造成的。他主张科学家时常变一变自己研究的领域或问题，这样会不断保持较好的创造力。许多杰出的科学家都有着广泛而浓郁的文学艺术爱好，如薛定锷是一个戏剧爱好者，热心写戏剧评论，还发表过诗作。开尔文在大学是管弦乐队里出色的军号手。康托尔曾梦想成为小提琴家。诺贝尔具有非凡的诗才。居里夫人爱好诗歌与文学作品。普朗克、玻恩、索末菲、海森堡等都是优秀的钢琴演奏家。这些爱好与兴趣对他们的创造发现有着不可或缺的作用。科学、艺术是人们极富创造性的两个领域，科学作为对自然规律的探讨，而艺术则是运用特定的物质手段，按照美的规律，塑造典型的艺术形象，来表达艺术家的内心世界和思想情感。艺术是人类审美意识集中化和物态化的表现，是人类通过与现实的审美关系全面掌握世界的最高、最自觉的形式。艺术通过各种形态感性形式的自觉创造，给人以内心的愉悦和创造的灵感，而艺术家是艺术的主体。虽然，科学与艺术均有其自身的特质和内在规定，并以此而相互区分。但作为创造活动却有其一致性。艺术中的愉悦与灵感会给科学家以启迪。在思维方式、审美情操和感悟等方面，艺术家都会给科学家以启发，因此，要加强科学家与艺术家的交流与合作，以培养和提升科学家的科学美感，从而作出更多的科学发现。

3.宽松与自由的创造境域

科学研究是一个艰辛的过程，从假说到理论，从潜在到显现，科学思想的提出与科学发现的完成，都离不开自由讨论与宽松的环境，这是科学的生命力与催化剂。科学探求只有在宽松、自由的氛围中，才可能产生更多的新思想和创造发明。同样，科学美感也只有在这样的创造境域中，才能更好地发挥其助发现功能。创造性才能的培养需要解放思想、敢想敢干，激荡起心灵的创造冲动，使主体常处于创新的激发态，从而作出重要的科学发现。海森堡曾说过，科学扎根于交流，起源于讨论。哥本哈根学派为此提供了典范，卢瑟福、波尔以及许多优秀的年轻科学家聚集在“荼话会”上，提出疑难，交流信息，自由争论，不拘形式，为科学思想奠定了良好的人文环境。此外，布尔巴基学派、卡文迪许实验室等都有类似的成功作法。在科学史上，也常有人由于缺乏创新眼光，与发现失之交臂，如马赫离相对论也只有一步之遥。还有些人，由于被权威所压倒，不敢越雷池一步，不相信自己会作出发现。又如天文学家勒莫尼耶在1750到1769年间，有12次观察到天王星。但由于他囿于成见，因守而不敢超越权威，从而失去了发现天王星的机会。从科学家的自身情况来看，许多科学家与诗人、艺术家相似，当他们对某些问题深思熟虑而不得其解时，往往在突然放松如会客、听音乐、散步、游玩等时候出现思想火花，从而解决了困绕的问题。这是长期紧张工作后的突然放松的情况，而经过一段闲散时间后的突然紧张，也会出现创新的许多苗头。这说明，约束与自由之间的动态协调之于科学研究是非常重要的。因此，无论在科学共同体内部，还是在各学派之间，都应倡导一种平等的与自由的研究传统，不持门户偏见。全社会都应为科学发现创造一个活跃、轻松与自由的学术环境，不断创新，勇于开拓，这样才会产生良好的科学美感。也只有这样，科学美感才会导致更多的科学发现。