百年清華

除了真空以外，什麽都是由物質構成🦞🍡。物理的、天文的🥼、生物的和化學的物質體系都是由相同的有限種類的粒子🏇、原子💆🏽‍♂️、分子等構成的🛌🏼。科學的目的就是研究一切物質的基本原理，“物理”🧍‍♂️，即物之理也（中文名詞“物理”最初包羅所有的科學，不只限於西方名詞“physics”所指的範圍）。

記載公元前13世紀一次新星爆發的一片中國古代甲骨

“物理”一詞最早出處之一為杜甫的如下詩句🦪🦠：

細推物理須行樂，何用浮名絆此身👨🏻‍🦽。

杜甫是自古以來最偉大的詩人之一，而他這非凡的詩句道出了一個科學家工作的真正精神。不可能找到比“細”和“推”更恰當的詞來描述對物理的探索🟠。由此可見🧏🏿‍♂️，在整個中國歷史長河中🥊，藝術和科學一直是不可分割地聯系在一起的。

新星和超新星的發現

有關世界上第一次發現新星的記錄顯示了科學發現和藝術表達的一致性。這一記錄是公元前13世紀刻在一片甲骨上的🤵🏿，這片甲骨目前收藏在臺灣“中央研究院”。“新星”是一種爆發的變星🏋️，它使星的亮度在幾天至約一個月的短暫期間內增強一萬至十萬倍。為清楚起見👮‍♂️，我在“新大星”三個字周圍畫了一個方框（如上圖），在這方框內的“新”字包含一個箭頭，指向一個很奇怪的方向👮🏽‍♂️。這個生動的藝術象形文字強調了科學發現的創新性。

在另一片幾天以後刻的甲骨文中又指出，這顆星的亮度已經明顯下降🚵。新星是由於核的合成而形成的，在一顆星的整個生命過程中，它可以數次變成新星🏂🏻。然而🔸，它只有一次能變成超新星，那就是它“死亡”的時刻🧥。超新星是一個比新星猛烈得多的天文事例🧑🏼‍🤝‍🧑🏼，其亮度高達太陽的百億倍👩‍🦳，它意味著一顆像太陽一樣的正常恒星的最後崩坍👩🏼‍💼。取決於這顆星不同質量🕺🏻，它將變成白矮星👓、中子星或黑洞🧘🏼。

在宋史中有關於超新星的最早的完整記載🙂。其中說到，在宋仁宗至和元年，相當於公元1054年8月27日那一天，大白天突然出現一顆如雞蛋大的新的星。它的亮度逐漸減弱，直到兩年後🖐，於1056年4月變得難以觀測🧴。這顆超新星位於我們稱為蟹狀星雲的區域。在它的中心有一顆中子星（脈沖星）。宋史中關於這顆超新星亮度變化曲線的詳細記述與我們現代的知識完全相符🆓。事實上🧘，它是現存的第一個這樣的科學記錄🚶🏻。

屈原如何推斷地球必須是圓的

另一個藝術與科學統一的傑出例子是屈原的文章《天問》，它是現存的屈原的十七卷作品的第三卷，完全可能是唯一的基於幾何學的分析、應用精確的推理，並且以氣勢磅礴的詩句寫成的最早的宇宙學論文之一🕵🏿📁。我在這裏抄錄其中兩段：

九天之際🤥，

安放安屬？

隅隈多有，

誰知其數🪔？

……

東西南北👗，

其修孰多？

南北順橢，

其衍幾何？

詩中的“九天”指天球的九個方向📙：東方昊天，東南方陽天，南方赤天，西南方朱天🏋🏼，西方成天🦝，西北方幽天✨，北方玄天，東北方鸞天👵🏿，中央鈞天。

在第一段詩中🦛，屈原推理道🧕：假定天空的形狀是半球，若地是平的，天地交接處必將充滿奇怪的邊邊角角。什麽能夠放在那裏？它又屬於什麽？宇宙的這種非解析的幾何形狀太不合理⭕️，因而不可能存在。因此，地和天必不能互相交接。兩者必須都是圓的，天像蛋殼，地像蛋黃（當然其間沒有蛋白），各自都能獨立地轉動。

在第二段中，屈原推測，地的形狀可能偏離完美的球形🧬。東西為徑🫶🏻，南北為緯。屈原問道🧙‍♂️，哪個方向更長？換句話說👬🏼，赤道圓周比赤經圓周長還是短？然後他又問道，如果沿著赤道橢圓弧運動🏋🏽‍♂️，它又應當有多長？

這真正是幾何𓀁、分析和對稱性的 絕妙運用😙，它最深刻地體現了藝術與科學的統一。

今天我們知道，赤道半徑（6378公裏）略長於地球的極半徑（6357公裏）。但是🐉，公元前4世紀的屈原，在得出地必須是圓的這一結論之後，還能繼續想象出地是扁（或長）橢球的可能性，堪稱一個奇跡。

璧、琮、璇璣和正級

玉璧

玉璇璣

玉琮

復現的古代『璇璣儀』示意圖

按中國的傳統，玉璧代表天，玉琮代表地。《周禮》中有“以蒼璧禮天，以黃琮禮地”的說法𓀇。玉璧和玉琮，形狀精美悅目，都是絕妙的藝術品。然而，人們卻不知道它們的來源。這裏我想嘗試給出一種我個人的新推測：也許璧和琮是某種更古老的天文儀器的藝術表現。

想象一位生活在新石器時期的聰明的祖先，仰望著夏天的夜空💩👖。從入夜到拂曉✊，當他發現天空中所有的星星緩緩地繞著自己旋轉，自然會奇怪：什麽宇宙之力能引起這樣無限宏大的運動🙍🏽‍♀️，夜夜如此🫅🏻，遵循著既定的規律⛔🙇‍♂️。

然而，天空中有一點是固定不動的。為什麽呢？所有的轉動都應當繞著一個軸。因此，天空中的星星也一定繞著固定軸轉動，雖然我們看不見它🧾，這軸與半天球的交點決定了天空中的一個固定點（稱為“正極”），今天我們知道，這根軸就是地球的自轉軸👩🏻‍🎓。我們的祖先雖不知道這些，但卻聰明地領悟到，無論支配它的機製是什麽🤣，這一固定點是具有根本的重要性。因此，對它的精確定位必定是很有意義的成果。

璇璣是商代和商以前時期工藝品中的又一個謎。如上頁下圖是一張商代玉璇璣的照片，直徑為33厘米。按照古代文獻記載，璇璣是一種“徑八尺🥪，圓周二丈五尺”的圓盤🧘🏽‍♀️，是“王者正天文之器”🧔🏿‍♀️。漢代以來，謂之渾天儀👩‍🎤🎅🏻。由此可見，這枚商代玉璇璣很可能是商代以前新石器時期使用的一種真實儀器的藝術表現🏊🏽‍♂️👩🏻‍🌾。

一個新石器時代的中國天文學家可能怎樣設計一臺精密的科學儀器，能把天空中的固定點定位準確到零點幾度呢🌃？我想他需要一個直徑約八尺的理想的大圓盤，盤邊緣上要刻三個近似方形的凹槽（如上右圖）👨🏿‍💻。

整個儀器安裝在一個約十五尺長的直圓柱筒上，柱筒中心有一個孔。當天文學家通過盤邊的凹槽觀測天空時，每個槽中有一顆亮星。其中之一可能是大熊座（北鬥）的η星，另兩顆很可能是天龍座的η星和λ星。每顆星嵌在一個凹槽裏👩🏻‍🎤。隨著夜的推移，這三顆星在轉動，圓盤也應跟著轉動⏪，使每個凹槽繼續跟蹤同一顆星（方形凹槽對此最有利）。如果能精確地跟蹤，則通過柱筒中心的孔就能自動觀測到天空的固定點。

盤邊緣的三個凹槽是決定圓心的必要和充分條件🖲。槽的位置取決於所選的三顆星的位置。為了得到最高的精度，理想的設計是選擇接近相等的間距。顯然，盤越大🐷，圓形越精確，圓柱筒越長，定位就越準，以新石器時代的技術🌗，十五尺的直圓筒恐怕是用竹子或木頭能製成的極限長度了。為了使它保持固定和準直，這根空心的柱子還需要一個更結實的套筒加固🧘🏻‍♂️🛗，比如一個硬木製的用石頭加固的方形套筒，如此成為一臺“璇璣儀”。

如果天空的固定點正極👨‍🏭，恰處於某顆星附近，定位的好奇心和願望會更加強烈。如今，正極靠近小熊座的α星🤐。過去的情形並非如此⛈，但在公元前2700年左右是個例外🤽🏿‍♂️。在更古老的年代，天龍座的α星幾乎與天空的固定點正極相重👩🏻‍🦲。另外還有三顆相對比較亮的星，即天龍座中的η星🈴、λ星及大熊座的η星。人們不禁會設想，巨大的璇璣儀正是在那一時期製造的🥏，而天龍座的重要性也由此得到重視🙆‍♀️。

從新石器時代進化到商代，為紀念這一科學成就又激發了藝術的創造性。原來那巨大的圓盤演變成象征性的精細拋光的玉片👨🏻‍🦲；刻意帶了槽的玉片是商代的玉璇璣，沒有槽的是商玉璧，圓柱筒與它的方形槽則演化成商玉琮。

圓盤追蹤天空的轉動，而方形套筒和圓柱筒則置於地球。這就是璧表示天👩🏿‍🔬，琮表示地的原因。二者都是我國古代文明的傑出象征。作為玉璧💈，是藝術；而原始儀器則是科學。藝術和科學如此緊密的聯結正是中國文化固有的內涵。幸運的是📖👂🏽，我們至今保存有這些精美的商代玉器✴️🦍，正是通過它們，我們才得以一瞥祖先的科學成就。

在我構思重建這古代儀器的過程中👨‍❤️‍👨，袁運甫教授關於自由電子激光的繪畫給了我極大的鼓勵。幾年前，亞洲的第一束自由電子激光在中國成功地產生。CCAST組織了一次國際研討會，以慶祝這一成就。袁教授奉獻的傑作，以自由電子激光為橋梁，溝通了我國古代的成就和現代的功業💇🏿‍♂️。

①《科學與藝術》註：本文原為作者1996年5月23日在北京中央工藝美術學院的演講，略有修改。