百年清华

除了真空以外，什么都是由物质构成。物理的、天文的、生物的和化学的物质体系都是由相同的有限种类的粒子、原子、分子等构成的。科学的目的就是研究一切物质的基本原理，“物理”，即物之理也（中文名词“物理”最初包罗所有的科学，不只限于西方名词“physics”所指的范围）。

记载公元前13世纪一次新星爆发的一片中国古代甲骨

“物理”一词最早出处之一为杜甫的如下诗句：

细推物理须行乐，何用浮名绊此身。

杜甫是自古以来最伟大的诗人之一，而他这非凡的诗句道出了一个科学家工作的真正精神。不可能找到比“细”和“推”更恰当的词来描述对物理的探索。由此可见，在整个中国历史长河中，艺术和科学一直是不可分割地联系在一起的。

新星和超新星的发现

有关世界上第一次发现新星的记录显示了科学发现和艺术表达的一致性。这一记录是公元前13世纪刻在一片甲骨上的，这片甲骨目前收藏在台湾“中央研究院”。“新星”是一种爆发的变星，它使星的亮度在几天至约一个月的短暂期间内增强一万至十万倍。为清楚起见，我在“新大星”三个字周围画了一个方框（如上图），在这方框内的“新”字包含一个箭头，指向一个很奇怪的方向。这个生动的艺术象形文字强调了科学发现的创新性。

在另一片几天以后刻的甲骨文中又指出，这颗星的亮度已经明显下降。新星是由于核的合成而形成的，在一颗星的整个生命过程中，它可以数次变成新星。然而，它只有一次能变成超新星，那就是它“死亡”的时刻。超新星是一个比新星猛烈得多的天文事例，其亮度高达太阳的百亿倍，它意味着一颗像太阳一样的正常恒星的最后崩坍。取决于这颗星不同质量，它将变成白矮星、中子星或黑洞。

在宋史中有关于超新星的最早的完整记载。其中说到，在宋仁宗至和元年，相当于公元1054年8月27日那一天，大白天突然出现一颗如鸡蛋大的新的星。它的亮度逐渐减弱，直到两年后，于1056年4月变得难以观测。这颗超新星位于我们称为蟹状星云的区域。在它的中心有一颗中子星（脉冲星）。宋史中关于这颗超新星亮度变化曲线的详细记述与我们现代的知识完全相符。事实上，它是现存的第一个这样的科学记录。

屈原如何推断地球必须是圆的

另一个艺术与科学统一的杰出例子是屈原的文章《天问》，它是现存的屈原的十七卷作品的第三卷，完全可能是唯一的基于几何学的分析、应用精确的推理，并且以气势磅礴的诗句写成的最早的宇宙学论文之一。我在这里抄录其中两段：

九天之际，

安放安属？

隅隈多有，

谁知其数？

……

东西南北，

其修孰多？

南北顺椭，

其衍几何？

诗中的“九天”指天球的九个方向：东方昊天，东南方阳天，南方赤天，西南方朱天，西方成天，西北方幽天，北方玄天，东北方鸾天，中央钧天。

在第一段诗中，屈原推理道：假定天空的形状是半球，若地是平的，天地交接处必将充满奇怪的边边角角。什么能够放在那里？它又属于什么？宇宙的这种非解析的几何形状太不合理，因而不可能存在。因此，地和天必不能互相交接。两者必须都是圆的，天像蛋壳，地像蛋黄（当然其间没有蛋白），各自都能独立地转动。

在第二段中，屈原推测，地的形状可能偏离完美的球形。东西为径，南北为纬。屈原问道，哪个方向更长？换句话说，赤道圆周比赤经圆周长还是短？然后他又问道，如果沿着赤道椭圆弧运动，它又应当有多长？

这真正是几何、分析和对称性的 绝妙运用，它最深刻地体现了艺术与科学的统一。

今天我们知道，赤道半径（6378公里）略长于地球的极半径（6357公里）。但是，公元前4世纪的屈原，在得出地必须是圆的这一结论之后，还能继续想象出地是扁（或长）椭球的可能性，堪称一个奇迹。

璧、琮、璇玑和正级

玉璧

玉璇玑

玉琮

复现的古代『璇玑仪』示意图

按中国的传统，玉璧代表天，玉琮代表地。《周礼》中有“以苍璧礼天，以黄琮礼地”的说法。玉璧和玉琮，形状精美悦目，都是绝妙的艺术品。然而，人们却不知道它们的来源。这里我想尝试给出一种我个人的新推测：也许璧和琮是某种更古老的天文仪器的艺术表现。

想象一位生活在新石器时期的聪明的祖先，仰望着夏天的夜空。从入夜到拂晓，当他发现天空中所有的星星缓缓地绕着自己旋转，自然会奇怪：什么宇宙之力能引起这样无限宏大的运动，夜夜如此，遵循着既定的规律。

然而，天空中有一点是固定不动的。为什么呢？所有的转动都应当绕着一个轴。因此，天空中的星星也一定绕着固定轴转动，虽然我们看不见它，这轴与半天球的交点决定了天空中的一个固定点（称为“正极”），今天我们知道，这根轴就是地球的自转轴。我们的祖先虽不知道这些，但却聪明地领悟到，无论支配它的机制是什么，这一固定点是具有根本的重要性。因此，对它的精确定位必定是很有意义的成果。

璇玑是商代和商以前时期工艺品中的又一个谜。如上页下图是一张商代玉璇玑的照片，直径为33厘米。按照古代文献记载，璇玑是一种“径八尺，圆周二丈五尺”的圆盘，是“王者正天文之器”。汉代以来，谓之浑天仪。由此可见，这枚商代玉璇玑很可能是商代以前新石器时期使用的一种真实仪器的艺术表现。

一个新石器时代的中国天文学家可能怎样设计一台精密的科学仪器，能把天空中的固定点定位准确到零点几度呢？我想他需要一个直径约八尺的理想的大圆盘，盘边缘上要刻三个近似方形的凹槽（如上右图）。

整个仪器安装在一个约十五尺长的直圆柱筒上，柱筒中心有一个孔。当天文学家通过盘边的凹槽观测天空时，每个槽中有一颗亮星。其中之一可能是大熊座（北斗）的η星，另两颗很可能是天龙座的η星和λ星。每颗星嵌在一个凹槽里。随着夜的推移，这三颗星在转动，圆盘也应跟着转动，使每个凹槽继续跟踪同一颗星（方形凹槽对此最有利）。如果能精确地跟踪，则通过柱筒中心的孔就能自动观测到天空的固定点。

盘边缘的三个凹槽是决定圆心的必要和充分条件。槽的位置取决于所选的三颗星的位置。为了得到最高的精度，理想的设计是选择接近相等的间距。显然，盘越大，圆形越精确，圆柱筒越长，定位就越准，以新石器时代的技术，十五尺的直圆筒恐怕是用竹子或木头能制成的极限长度了。为了使它保持固定和准直，这根空心的柱子还需要一个更结实的套筒加固，比如一个硬木制的用石头加固的方形套筒，如此成为一台“璇玑仪”。

如果天空的固定点正极，恰处于某颗星附近，定位的好奇心和愿望会更加强烈。如今，正极靠近小熊座的α星。过去的情形并非如此，但在公元前2700年左右是个例外。在更古老的年代，天龙座的α星几乎与天空的固定点正极相重。另外还有三颗相对比较亮的星，即天龙座中的η星、λ星及大熊座的η星。人们不禁会设想，巨大的璇玑仪正是在那一时期制造的，而天龙座的重要性也由此得到重视。

从新石器时代进化到商代，为纪念这一科学成就又激发了艺术的创造性。原来那巨大的圆盘演变成象征性的精细抛光的玉片；刻意带了槽的玉片是商代的玉璇玑，没有槽的是商玉璧，圆柱筒与它的方形槽则演化成商玉琮。

圆盘追踪天空的转动，而方形套筒和圆柱筒则置于地球。这就是璧表示天，琮表示地的原因。二者都是我国古代文明的杰出象征。作为玉璧，是艺术；而原始仪器则是科学。艺术和科学如此紧密的联结正是中国文化固有的内涵。幸运的是，我们至今保存有这些精美的商代玉器，正是通过它们，我们才得以一瞥祖先的科学成就。

在我构思重建这古代仪器的过程中，袁运甫教授关于自由电子激光的绘画给了我极大的鼓励。几年前，亚洲的第一束自由电子激光在中国成功地产生。CCAST组织了一次国际研讨会，以庆祝这一成就。袁教授奉献的杰作，以自由电子激光为桥梁，沟通了我国古代的成就和现代的功业。

①《科学与艺术》注：本文原为作者1996年5月23日在北京中央工艺美术学院的演讲，略有修改。