本书收集的是7篇演讲，它们反映了我对于科学研究的动机和科学创造模式的一般观点。第一篇演讲是40年前作的，其余6篇是在1975年之后的10年中作的。正因为前后相隔几十年，所以它们显示了一个科学家态度的变化。这些演讲都作过精心的准备，在内容的细节以及措词上也作过认真的考虑。

本书收集了杰出的天体物理学家S·钱德拉塞卡教授的七篇演讲。它们阐述了作者对于科学研究的动机以及科学创造模式的一般观点。钱德拉塞卡认为，追求科学的过程就是追求美。美是各部分之间以及部分与整体之间的固有的和谐。他描述了几位杰出的物理学家创造和体验美的经历，如海森堡发现量子理论，爱因斯坦完美其著名的方程式以及魏尔提出引力规范理论等等，它们都涉及到共同的问题：动机、创造和美。

前言

第一章 科学家（1946）

第二章 科学的追求及其动机（1985）

第三章 诺拉和爱德华·赖森讲座（1975）

莎士比亚、牛顿和贝多芬：不同的创造模式

第四章 美与科学对美的探求（1979）

第五章 米尔恩讲座（1979）

爱德华·阿瑟·米尔恩和他在现代天体物理学发展中的地位

第六章 纪念A.S.爱丁顿诞辰一百周年讲座（1982）

第七章 K·史瓦西讲座的美学基础（1986）

广义相对论的美学基础

附录：寻求秩序——钱德拉塞卡对黑洞、蓝天和科学创造力的思考

译后记

基本定律的普适性

通过讲述万有引力定律的普适性，在某种程度上能很好地描绘出引力定律是如何获得普适性的。

人们早已发现，地球上所有物体均受到一个指向地心的引力作用。然而这种引力能够影响到多大范围呢?它能影响到月亮那么远的地方吗?牛顿向自己提出了这些问题，并且他回答了它们。伽利略已经证明，匀速直线运动和静止都是物体的自然状态，偏离这种自然状态需要力的作用。假定月亮不受任何力的作用，它将脱离轨道而沿轨道的瞬时切线方向离去。如果月亮的运动是由于地球引力形成的，那么这种引力的作用就是把月亮从瞬时切线方向拉到轨道上运动。由于月亮绕地球转动的周期和距离都是已知的，所以很容易算出月亮在1秒钟内由切线落下的距离。将这个值与自由落体的速度比较之后，牛顿发现两者之比为1：3600。又因为月亮到地心的距离是地球表面上物体到地心距离的60倍，这就意味着存在一个与距离平方成反比的力。

牛顿向自已提出的第二个问题是：引力的这种性质到底在多大程度上有效。特别是太阳是否也有类似的力使行星作轨道运动，就像地球引力使月亮作轨道运动一样?这些问题的答案可在开普勒定律找到。牛顿指出：开普勒第二定律——行星在相同时间内掠过相同面积——意味着存在一有心力，即指向太阳的一种力；开普勒第一定律——行星轨道为椭圆且以太阳为椭圆的一个焦点——是引力平方反比定律的一个结论；最后，若同一定律对各个行星均成立的话，那么，行星运动的周期和距离的关系就在开普勒第三定律中得到表述。牛顿就是以这样的方式阐明他的万有引力定律，即宇宙中任一粒子对其他任何粒子都有引力作用，其大小与它们之间距离的平方成反比，与两粒子的质量成正比。应该注意到在这个公式的描述中用了“宇宙”这个词，这就很清楚地表明了该公式的重要性在于它的普适性。

再举一个与观测有关的例子。威廉·赫歇耳(W.Herschel)根据他对距离很近的恒星对的研究，于1803年宣布：在某些时候恒星对是双星，它们相互绕着对方旋转。赫歇耳还进一步阐明，它们的表观轨道是椭圆，而且开普勒面积定律同样可以适用。换言之，这种观察结果使得万有引力定律的适用范围从太阳系扩展到了遥远的恒星。我们现在很难想象得出赫歇耳的发现，对他同时代人有多么大的影响。

自从牛顿定律公诸于众后，天文学中众多的进展都与牛顿定律在太阳系运动中的应用有关。牛顿本人就得出了很多的重要结论。这里只讲两个例子：其一，他正确地解释了海洋的潮汐现象；其二，他还正确地解释了距他两千多年之前喜帕恰斯(Hipparchus)就发现了的岁差现象。

将牛顿定律运用到整个太阳系是一项极其艰巨的任务，它耗尽了许多科学巨匠毕生的精力，如拉格朗日、拉普拉斯、欧拉、亚当斯、德劳雷(DelaLmay)、希尔(Hill)、纽康姆(Newcomb)以及庞加莱等。

我前面已经讲过，用牛顿定律不能完全解释水星的运动。水星实际运动轨道与牛顿定律计算出来的轨道有小小的偏离，这种偏离体现为一种整个轨道的缓慢进动，该进动速率比用牛顿定律计算出来的速率要超出一点点，即一百年只有42弧秒。现在，用爱因斯坦的广义相对论似乎已经能圆满地解释水星的这种进动。

现在，牛顿定律仍能有效地运用到天文学众多的领域里。其中最新的领域是将整个银河系的运动作为一个整体进行研究，这个动力学的新分支称之为“天体动力学”。其发展极为迅速，有着广阔的前景。下面有几个地方我还会涉及这一领域。

让我暂时撇开自然界定律普适性的经典例子，来看一个更新颖，在某种程度上更令人惊讶的例子。核衰变现象(通常叫做‘‘原子裂变”)在近年来已得到广泛的研究，对于1946年的听众来说，这件事毋庸我赘言。利用研究结果，贝特(H.A.Bethe)在几年前宣布：涉及碳和氮的某些核衰变可间接合成由四个质子组成的氮核。他还进一步指出，根据前不久天体物理学家推导出来的太阳内部的情况，再利用在实验室发现的反应截面，我们现在能相当满意地解释太阳能的来源——这又是一个许多不同类型的研究综合起来解释某一现象的辉煌例证。

我们再看另一个例子。1926年，当费米(E.Fermi)和狄拉克(P.A.M.I)irac)将统计力学定律应用于电子气(elec—tron gas)时，他们不得不对这些定律做些修改，并且证明在高密度和(或)低温度的情形下，经典定律将出现偏差。这种偏差的性质表现在：根据经典定律，压力正比于密度和温度。若在给定的温度下增加密度，偏差就会逐步表现出来，即随着密度增加压力迅速增加，并最终变成了只是密度的函数。这种状态称之为电子气的简并态。这些新的定律在金属学理论中有着广泛的应用，并且有极大的实用价值。然而这些新定律的最初应用却发生在天体物理学中。R·H·福勒(Fowler)利用费米一狄拉克气体定律阐明了类似天狼星的伴星这种高密度恒星的结构。通常称之为白矮星(’white dwarfs)的这类高密度恒星，其密度数量级达每立方英寸几吨。最特别的例子是几年前由G·P·克尤帕尔(Kuiper)所发现的一颗恒星，据估计其密度达每立方英寸620吨。福勒立刻认识到，在此情形下，根据费米一狄拉克统计学，电子一定处于简并态。有了福勒的发现，人们才可能算出白矮星的构成成分。

我个人对于白矮星的结构这个题目比较感兴趣，如果对这个题目我讲得多了一点，请大家谅解。随着福勒论点的推广，人们很快发现费米一狄拉克定律需要作进一步修改以便解释这样一个事实，即在高密度的白矮星中必然有相当数量的电子以接近光速的速度运动。当考虑到如此高的速度并做了修正之后，人们就发现高密度星体的质量存在着一个上限。该上限大约是1.4个太阳质量。该上限出现的原因是若超过该质量就不会存在稳定的平衡组态。认识到这种质量上限又引起了很多关于星体演变的有趣问题。超新星现象的出现与此有某种关系是完全有可能的。这方面的研究我不能再进一步讨论下去了。我之所以提到这些问题，就是想要大家注意到：某些基本定律的有效范围是不断扩大的。

我上面所给出的三个例子，都是讨论同类定律的适用程度。但是，有时我们将同一类思想应用到各种问题中去，而这些问题乍看起来可能毫不相关。例如，用于解释溶液中微观胶体粒子运动的基本概念同样可用于解释星群的运动，认识到这一事实是令人惊奇的。这两种问题的基本一致性——它具有深远的意义一一是我一生中所遇到的最令人惊讶的现象之一·对此我想多讲几句。

“布朗运动”现象是英国植物学家布朗(R.Brown)在1827年发现的。当他观察悬浮在水中的微粒(他用的是花粉)时，他发现这些微粒永远不会静止下来，处于一种不停地骚动状态。现在想来似乎可笑，起初这种不停的运动竟被认为是花粉的生命活动引起的，但是布朗马上就指出这种解释是不可能的。因为即使是从埃及斯芬克斯石像上取得的细微尘埃，也具有同样的行为。现在我们知道，布朗运动起源于胶体微粒与他们周围的液体分子的碰撞。既然最细小的胶体微粒也要比单个的分子重几百万倍，显然单一的碰撞几乎不会对胶体微粒产生任何影响。但大量碰撞的总体效应是可观的。令人惊诧的是用于研究布朗运动的同样方法，也适用于研究像昴星团这样的星群运动。我们可以这样做的原因是：当星群中的两颗星擦身而过时，每颗星体运动的方向和量值都发生了变化。由于星体间的作用力与距离的平方成反比，作为单个效应来说星体的运动受到的影响很小，但同样的由于大量的这类交遇，其累积效应就产生了可观的变化。很明显，这与布朗运动是类似的，所以星群运动理论能够随着布朗运动理论的发展而发展。而且，星群运动理论比胶体微粒运动理论更完备地描述了布朗运动的特征。我还要指出的是，正是由于这种理论的发展，我们才能在总体上预言星群的演变和宇宙的时间尺度。

P6-11

本书收集的是我的7篇演讲，它们反映了我对于科学研究的动机和科学创造模式的一般观点。第一篇演讲是40年前做的(具体情况我在下面还要讲到)，其余6篇是在1975年之后的10年中做的。正因为前后相隔几十年，所以它们显示了一个科学家态度的变化。(或成熟?)

这些演讲都做过精心的准备，在内容的细节以及措词上也做过认真的考虑。事实上，它们都是在一些重要的讲座上宣读的；收集在本书中时原稿未作改动，只删掉了一些开场白。

I

这些演讲大致上有两方面的内容。前4篇主要阐述美学和动机的问题。其余冠有米尔恩、爱丁顿和史瓦西讲座的3篇演讲，虽然其部分内容是介绍他们各自的经历，但也都间接地谈到了上述一般问题。特别是在卡尔·史瓦西讲座的演讲中，主要讨论的是广义相对论的美学基础，它是前面《美与科学对美的探求》讨论的继续。

Ⅱ

从1946年做《科学家》的演讲到1976年做《莎士比亚、牛顿和贝多芬：不同的创造模式》的演讲，中间相隔30年。前面我已说过，这是由特殊环境形成的。科学家一般都认为，科学追求的动机或这种追求的美学基础，是不值得认真讨论的；而且对认真讨论这些问题的科学家，他们也往往持怀疑态度，认为不屑一顾。我在1945年大致上也持有这种观点。但是，当时任芝加哥大学校长的哈钦斯(R.A.Hutchins)却给我写了一封信，邀请我在他组织的系列讲座中做有关《科学家》的演讲，他在信中解释道：

这次系列讲座的目的是激发大学生的批评能力，使他们了解什么是优秀的工作，引导他们尽力把各自的工作做好。希望每位演讲人谈谈他自己从事本行工作的体验，通过阐述其特性、总结其目的以及解释其技巧，来说明各自工作的价值。

开始，我不大愿意接受邀请，因为对这些问题我没有认真思考过。此外，哈钦斯邀请的其他演讲人的名单中还有赖特(F.L.Wright)、勋柏格(A.Schoenberg)、恰卡尔(M.Chagall)、冯·诺伊曼(John von Neumann)@这些赫赫有名的大人物，使我心虚、怯场。想想看，谁看了这张名单不会吓一跳。但那时我还很年轻，无法抗拒一位大学校长的权威，我只好硬着头皮去思考那些我当时还很生疏的问题。

当我再次看40年前我的讲稿时，我感到有些话我今天不会说，或者说法有些不同。但我还是把它收进了这本书，因为把1946年的演讲与1985年的演讲《美与科学对美的探求》放在一起，也许有助于读者更好地判断一位科学家对问题的观点如何随时间变化。

Ⅲ

从时间顺序上看，《科学家》演讲之后是1975年《莎士比亚、牛顿和贝多芬：不同的创造模式》的演讲。1974年，由于生病我不得不疗养了半年，这使我有了一次难得的机会，可以专心致志地思考一些我从未认真思考过的问题。半年的学习、思考和研究，不仅为我即将做的演讲提供了基础，而且使我对美的敏感性在科学素养中起的作用，产生了持续的兴趣。对广义相对论的数学方面研究得越深入，就越是加强了我的这一兴趣。(我应该补充一点，我所发现的新事实或新见解，在我看来并非我的“发现”，而是早就在那儿，我只不过偶然把它们拾起来罢了。这看来有点奇怪，但这是真的。)

Ⅳ

1975年以来的所有演讲中，用来阐述我的观点的一些相同的“故事”，在不同的背景和不同的地方出现，但有两条相互交错的线索把它们串连起来。一条线索是关于在科学中对美的追求，另一条线索是关于艺术和科学中不同创造模式的起源，这是我在1975年讲演中明确提出来的。这两种创造模式的明显差异，在我们讨论一位艺术家的工作和一位科学家的工作时，可以清楚地看出来。在评论一位艺术家时，我们常常把他们的工作区分为早期、中期和晚期；这种区分一般表示出作家成熟程度和认识深度的不同。但在评论一位科学家时，却往往不能这样。对科学家往往是根据他在思想领域或实践领域做出的一个或几个发现的重要意义来做出评价。一位科学家最“重要”的发现往往是他的第一个发现；相反，一位艺术家最深刻的创造多半是他最后做出的。这种明显的差异我至今仍然感到迷惑不解。

最近，我突然悟出了一点道理，也许有助于认识这种明显的差异，我不妨简略地说一下。16世纪和17世纪科学家的目的与现代科学家有明显的不同。牛顿是最突出的例子。在大瘟疫时期他避居于家乡伍尔兹索普，这一期间他发现了万有引力定律和其他一些定律。大约20年之后，在哈雷的请求下他才重新写出开普勒第一定律的推导，但他没有就此打住，他甚至也不满意他随后做的演讲《论物体的运动》。不写完全部《原理》他是不会罢手的：他写这本书的速度和连贯性，在人类思想史上真是无与伦比。从现有的认识水平来看，牛顿的拼搏在一个方面给人们以启迪，那就是他并不急于宣布他的发现；他想完成的研究远不止这一个发现，他似乎要把他的发现放在整个科学领域之中，而且他认为科学是一个整体，是一个他有能力建成的整体。在牛顿所处的时代，这种科学观比较普遍，例如开普勒在给出行星运动定律后，他本可心满意足，但他却决定写一本《新天文学》。伽利略也是如此，他在做出他的一些伟大发现后并没有停步，他显然认为他必须写出《关于两种新科学的对话》。后来，拉普拉斯和拉格朗日继承了开普勒、伽利略和牛顿的这一传统。

当然啦，如果现在一个正常的人还去刻意模仿牛顿、伽利略和开普勒，别人一定会取笑他，认为他闲着没事干。但是，这些范例表明，以巨大的视野作为科学的目的在科学史上确实存在过，而现在科学的目的则没有往日那么宏大。现在的科学目的逐渐转向强调改变科学方向的发现上，这种改变也许是大势所趋，不可避免。与伏打、安培、奥斯特和法拉第名字相联的一些发现，必然先于麦克斯韦的综合；它们各自需要不同类型的努力。无论如何，强调“发现”的倾向仍在继续，而对在科学发现中如何理解取得科学成就的主要因素，则进一步突出和强化了这种倾向。用一个简单的框架把某人的想象综合起来，即使在有限的范围里，也已经失去了价值。例如，我们不会向爱因斯坦提出这样一个问题：在发现他的引力定律20年后，他有没有设想(或感到能够)写一本像《原理》那样的书来阐述广义相对论。

假如16世纪和17世纪的伟大科学家对科学追求的目的在今日仍然通用，那么艺术家和科学家在创造模式上的差别，也许就不会出现了。这种看法正确吗?

我还想补充一点，在确定哪些演讲该收进这本集子中时，我与妻子拉莉莎(Lalitha)进行了深入的讨论。她的鉴别能力和毫不逊色的洞见，对本书最后定稿起了重要作用。我还应该感谢她对我不断的鼓励。

S·钱德拉塞卡

1986年12月8日

钱德拉塞卡教授是美籍印度天体物理学家，1983年诺贝尔物理学奖获得者，他获奖的原因是“因为对恒星结构和演化过程的研究，特别是因为对白矮星的结构和变化的精确预言”。钱德拉塞卡著作颇丰，除了我们译的这本书以外，还有许多专业性非常强的著作，如《恒星结构研究导论》(1939年)、《恒星动力学原理》(1942年)及《黑洞的数学理论》(1983年)等等。

我是学物理出身的，对钱德拉塞卡传奇般的经历早有所闻，但却从来没有读过他的著作。1989年7月24日，我忽然收到在美国纽约工作的大哥寄来的一包书，打开封皮，我一眼就盯上了钱德拉塞卡著的《真理与美》(Truth and Beauty)。(我们在把它译成中文时，换了现在使用的书名，其原因下面还将谈到。)按惯例，我翻开目录：“科学家”、“科学的追求及其动机”、“莎士比亚、牛顿和贝多芬：不同的创造模式”，还有“广义相对论的美学基础”!我似乎觉得眼睛一亮，一个崭新的世界在我面前打开了。一篇一篇看下去，这种感受越来越强烈。正如作者在前言中所说，他思考的是一些我们大家应该思考但又“从未认真思考过的问题”；而且我还深深感到，钱德拉塞卡思考的这些问题对中国读者一定很有价值。于是我决心将这本书译出。开始我在《世界科学》上陆续译出了几篇，颇受编辑和读者的青睐，这更加深了我的信心：一定要把这本书奉献给中国读者。

但几经碰壁之后，我才知道目前在国内想出版一本这类高级科普读物，可以说非常困难。幸运的是湖南科学技术出版社决定将这本译著放到《第一推动丛书》里，这使我大为振奋。

出版社要求我与钱德拉塞卡教授取得联系，解决译文版权问题。这是很公正的要求，作为译者我也应该尊重钱德拉塞卡教授的知识产权和个人意愿。但我非常担心，钱德拉塞卡教授年事已高，今年84岁了，又是蜚声科学界的大人物，他会给我回信吗?但我别无选择。好不容易查到了他的地址，于是在今年3月底给他写出了第一封信，请他允许我将他的这本著作译成中文，并请求他将中译本的版权授予我们。出乎意料的是，不到一个月我就收到了钱德拉塞卡教授的回信，我真的感动极了。在回信中他写道：“您想翻译我的书，我当然非常高兴；作为作者，我允许您进行翻译。”

我高兴极了，这不仅是因为我获得钱德拉塞卡教授的允许，可以翻译这本名著，还因为广大中国读者将有幸与这位诺贝尔奖得主一同去思考那些本应认真思考但从未认真思考过的一些重要问题。

闲话不多说了，但有两件事我还得向读者交待一下：一是我把原书名《真理与美》改为现在使用的书名，是为了让更多年轻读者愿意买这本书。我相信，现在使用的书名对广大读者一定更有吸引力；我还相信，我并没有因改了书名而背离了原作者的意图。二是我在书末加了一个附录，这是为了让读者熟悉钱德拉塞卡教授年轻时一段传奇般的经历，了解了这段经历会使读者更深刻地领会作者的思路。

最后，在本译著出版之际，我应该首先感谢钱德拉塞卡教授允许我翻译他的这本书；其次，我应该感谢湖南科学技术出版社；再次，我还要感谢我的大哥杨建军，是他把原著买下并邮寄给我。当然，我还应该感谢我的几位研究生，正是他们的帮助使本译著能按时完稿。盐城师专物理系的王晓明讲师翻译第3、7两章，深圳长城公司的张家干翻译第6章，人民教育出版社的周国强编辑翻译第5章，其他3章和前言、附录都是由我翻译的。全书的审校、统稿工作也是由我完成的。李元杰教授对第7章作了认真的审阅，这将保证译文的科学性，我应向他表示感谢。

作者的原著肯定是一本难得的好书，但不知我们的译文能不能对得起钱德拉塞卡教授的一番深情厚意。读者的批评，将会受到译者由衷的欢迎。  杨建邺

1994年6月8日于武汉

华中理工大学宁泊书斋