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学科教育论文-元素周期律中的美学问题初探元素周期律的科学价值，没有一位化学家会产生怀疑；然而，它的美学价值却没有引起人们的足够重视。但最重要的，元素周期律是美的。在化学科学的发展中，从十八世纪中叶至十九世纪中叶的一百年间，一系列新的元素随着生产和科学实验的大发展接连不断地被发现，到了十九世纪六十年代，通过各种方法发现的化学元素已达六十三种，而且关于各种元素的物理和化学性质的研究资料也积累得相当丰富了。但是，这些材料是很繁杂而纷乱的，缺乏系统。面对这些大量而无头绪的材料，人们不禁提出：地球上究竟有多少元素？怎样去寻找新元素？各种元素之间是否存在着一定的内在联系？对这一连串的问题，人们在思索着、探求着新的答案。基于这种情况，许多科学家企图在这纷繁复杂的混乱中建立简单、和谐与统一。其实，这一过程的本身不仅是一种科学的探索，而且是一种美的追求。正如创立控制论的N.维纳所说，科学家的目标“是在为寻找一幅图示，以使它能用一个规律的模型去描述一个混沌的宇宙。”从拉瓦锡的最初尝试、德国化学家德贝莱纳(J.W.Dobereiner,17801849)提出“三素组”，一直到英国化学家纽兰兹(J.A.R.Newlands,18371898)提出“八音律”，第一次从元素的总体上去考察元素性质周期性变化的规律，经历了一个漫长的时期。当然，对发现元素周期律作出决定性贡献的是俄国化学家门捷列夫。面对一片混乱的元素世界，他确信，在现实事物的复杂多变之中，一定有严格的秩序。因此，他经过了深入研究和艰苦探索之后，终于在1869年2月排出了第一张包括63种元素在内的“元素周期表”。第一次揭示了：“元素的性质与元素的原子量呈现明显的周期性”的规律。把几百年来关于各种元素的大量知识综合起来，形成有内在联系的统一的体系，是展现在人们面前的元素世界无比生动活泼的辩证图景。它实现了化学认识由经验到理论的飞跃，是化学史上的伟大转折。对此，恩格斯给予极高的评价：“门捷列夫不自觉地应用黑格尔量转变为质的规律，完成了科学上的一个勋业。”1纵观化学史，我们不难看出，在元素周期律的发现过程中，不论是拉瓦锡的最初尝试，还是德贝莱纳、纽兰兹和门捷列夫等人的具体探索，无不浸透着统一与和谐、简单与深远、守恒与对称和新奇与雅致等这样的美学思想。这些美学思想不仅表现于元素周期律的外部形式之上，而且深入到了它的内部联系之中。很显然，元素周期律的发现揭示出了自然界的无限深刻与丰富的美感，它不仅是一种科学美的重要标志，而且闪烁着艺术美的思想光辉。门捷列夫根据元素周期律排出来的元素周期表，简直就是一件远远为人们观赏的艺术珍品，它绝不是一些元素符号的简单堆砌，而是与艺术一样的高级形式，是人类美的创造成果。一百多年过去了，元素周期律永恒的魅力有增无减，这无疑与它的美学价值有着重要的关系。关于元素周期律中的美学问题，我们从以下三个方面进行探讨。1统一与和谐什么是科学美？确切地说，科学美主要是存在于自然界中的“统一”与“和谐”在科学理论上的显现。这个显现的过程是复杂而曲折的，是一个高度创造性的探索过程。丰富多采、错综复杂的现象世界，它们表面上可能千差万别，但本质上却都可逻辑地归结为少数几个基本概念与原理。这样一来，整个体系既和谐又统一。法国著名的数学家、天体物理学家彭加勒(J.H.Poincare,18541912)指出：“在解中、在证明中，给我们以美感的东西是什么呢？是各部份的和谐，是它们的对称、它们的巧妙平衡，总而言之，就是引入秩序，给出统一，容许我们清楚地观察和理解整体与细节的东西。”2门捷列夫在他生命的几十年间之所以要孜孜不倦地探寻化学元素的辩证统一，就是因为他认为，只有找到一种统一的形式，才能使元素的联系最和谐。最后他找到了，这就是一百多年来一直被科学界赞叹不绝的元素周期律。现代著名物理学家海森堡说：“美是一个部份与另一部份及整体的固有的和谐。”和谐这个术语经常都是被当作美的概念来解释的，“和谐”的本身蕴含着深刻的综合与统一、对称与守恒，而且各部份的和谐与整体的综合是相互联系着的。正如苏联M.卡岗指出的那样：“和谐与统一中的任何组成部份都是由整体的性质决定的，而反过来又制约着整体的生命。”元素周期律正是这样，不论在形式或是内容上都是非常协调的，形成了一个十分和谐而协调的整体，这不能不是元素周期律的美学价值所在。科学理论的和谐对于保证科学理论的真理性是十分重要的。一个真的科学理论其体系内部必定是自洽的，逻辑上是严密的，因此，它是美的。彭加勒认为，科学理论的第二选择标准是统一性观念，统一性意味着宇宙各个部分是相关协调的，因而宇宙各个部分之间也必须是相互作用、协调统一发展。科学理论美是其内在和谐结构和外在和谐功能的统一，这种和谐性的发展也表现为理论自然科学不断统一的趋势。门捷列夫按照化学元素的原子量和化学性质之间的相关秩序，把当时已知的化学元素排列成尽可能和谐的层次和系列。它们的和谐关系突出地表现在每一化学元素在周期表中的位置同其物理特性和化学特性(包括比重、颜色、硬度、酸碱性和化合价等)的协调一致，使周期表在整体上呈现出美妙的周期、循环和节奏。为了更充分地展示这种内在结构的和谐与统一，门捷列夫给当时尚未发现的几种化学元素留下了空位，并对未知元素的性质作出了预言。新发现的元素完善了周期表的和谐结构，同时，理论的和谐又发挥着外在的功能。可见，门捷列夫周期表不但具有征服人的和谐美，而且发挥了和谐的潜在功能。为什么世间一切纷繁复杂的事物均可用简洁的形式来表达？其根本原因就在于自然界本身的统一与和谐，这种统一与和谐的自然美反映到自然科学的理论形态之中，就显示出了统一与和谐的科学美的规范。门捷列夫认为，科学的目的是要在多样性中追求统一性。因此，化学的目的不但要描述化合物的多样性，而且要揭示隐藏在复杂现象背后的统一性。科学美的本质就在于研究自然界中这种多样性中的统一性。自然现象虽然纷繁复杂，但是在这杂乱中必定有一种既定的秩序，这种秩序是自然界物质普遍运动的主宰。可见，门捷列夫在元素周期律的发现过程中，他自觉地应用了传统的科学美思想。从古代到近代，在人们心目中最重要的美学标准就是统一与和谐。从哥伯尼的太阳中心说到开普勒天体运行三定律，他们所强调和追求的主要是天体运行的统一与和谐，英国著名的科学史家丹波尔认为，哥伯尼的心中最重要的问题是“行星应该有怎样的运动，才会产生最简单而最和谐的天体几何学。”3他认为，在他的理论体系中，人们可以看到一种“有秩序的安排”、“宇宙里有一种奇妙的对称，轨道的大小与运动都有一定的谐和关系。”3亚里士多德也认为，作为一种美，最重要的标准就是“整一性”，他这种“整一性”的所谓“秩序、匀称与明确”实际上就是“统一与和谐”的原则以及“对称与守恒”的原则。他还在诗学一书中明确指出：“一桩桩的事件是意外的发生而彼此间又有因果关系。”4他在这里所说的“意外发生”是指偶然性；而“因果关系”则是指的必然性。元素周期律的发现正是偶然性与必然性的辩证统一，表现出了它的统一与和谐之美的所在。他还认为：“一个美的事物不仅要有各个部份的相应安排”而且要能使人“尽览它的整一性”4。这正是元素周期律的显著特点。彭加勒曾经指出：“我所指的是一种内在美，它来自各部份的和谐秩序。”2他最为强调的是“和谐”，认为“普遍和谐是众美之源”，“内部和谐是唯一的美。”他还说，能够在我们身上激起美的情感的东西是什么呢？它们是“其元素和谐地配置，以致为思想认识到细节时，能够毫不费力地包容整体。这种和谐立即满足了我们的审美需要，有助于它所证实和指导的思想。与此同时，一个秩序井然的整体处于我们的双目之下，使得我们能够预见”2科学定律。门捷列夫把这些似乎毫不相干的元素进行精心排列，一个秩序井然的整体奇迹般地展现在我们面前，它勾勒出了元素世界的生动活泼的辩证图景。这不仅在形式上是美的，一排排，一行行，奇妙的对称又统一，犹如一座庄严而完美的大厦；而且具有内容上的完美性，深刻地揭示了元素之间的协调与和谐。正如伟大的物理学家波尔茨曼指出的那样“这些符号难道不是出自上帝之手吗？”这就是元素周期规律的统一与和谐之美。2简单与深远宇宙万物之美是按最简单的原则构造出来的，而且自然规律的简单性是一种客观的特征。科学理论的简单性是指科学理论、定律、公式的简单形式和深广内涵的统一，它并非只是思维经济的结果。在姹紫嫣红的物质世界中，尽管各种自然现象和过程千差万别，千变万化，令人目不暇接，但客观自然界在本质层次上是简单、明确的，也是美的。然而，这种形式上的结构是建立在一些十分简单的原则基础之上的，这些原则又被更深层、更复杂的内涵所决定。因此，当人们了解这一切的时候，他们就会感到一种神秘的气氛，看到了它深远、博大的内涵，反映出了科学深层的折光，从而使人们有可能猜测到当时从理论上尚无法理解的更深远的科学真理。门捷列夫元素周期律不仅充分体现出了统一与和谐之美，而且从逻辑形式上体现出了简单与深远之美。这种简单之美“既不是理论内容上的简单性，也不是