李政道
科学的发现和艺术的表达
题记：科学和艺术是不可分割的，就像一枚硬币的两面。它们共同的基础是人类的创造力，它们追求的目标都是真理的普遍性。
除真空以外，什么都是由物质构成的。物理的、天文的、生物的、化学的物质体系，都是由同样的有限种类的粒子、原子、分子构成的。科学的目的就是研究一切物质的基本原理，即“物理”。中文名词“物理”，乃物之理也，最初包罗所有的科学，不限于西方名词“physics”所指的范围。
“物理”一词，可从杜甫的诗句中找到。杜甫是自古以来最伟大的诗人之一，他于唐肃宗乾元元年所做的《曲江二首》中有如下诗句：
细推物理须行乐，何用浮名绊此身。
这一非凡的诗句，道出了一个科学家工作的真正精神。不可能找出比“细”和“推”更恰当的字眼，来刻画对物理的探索。由此可见，在辉煌的中国文明历史中，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
近世出土的中国古代甲骨文中，留有世界上第一次发现新星的观测记录。新星是一种爆发变星。它本来很暗，通常不易看见，爆发后的亮度却可在几天到一个月的短暂期间内突然增强几万倍。使人误以为是一颗“新星”，故得此误称并沿用至今。在一片于公元前十三世纪的某一天刻写的甲骨文上，记载着位于心宿二附近的一次新星爆发。在这片甲骨文上，说到“新大星”时，所用的甲骨文“新”字中，包含着一个箭头，指向一个很奇怪的方向。这个古老生动、具有艺术形象的象形文字强调了科学发现的创新性，显示了科学发现和艺术表达的一致性。
在另一片于几天后刻写的甲骨文上，又记载了这颗星的亮度已经明显下降。新星爆发是因核的合成而发生的。在一颗恒星的整个演化过程中，可以数次变成新星；而变成超新星，却只有一次机会，那就是它“死亡”的时刻。超新星爆发是一种比新星爆发猛烈得多的天文事件，爆发时的亮度高达太阳亮度的百亿倍。它意味着这颗恒星的最后崩坍，或是变成星云遗迹，或是因其质量的不同而变成白矮星、中子星或黑洞。
超新星是罕见的天象，在《宋史》中有关于超新星的最早的完整记载。其中说到，在宋仁宗至和元年的一天，即公元1054年8月27日，大白天的天空中突然出现一个如鸡蛋大小的星体，其亮度缓慢地减弱，两年后，即于1056年4月变得难以观测。这颗超新星位于蟹状星云的区域，现在我们知道其中心确有一颗中子星（脉冲星）。《宋史》中对其亮度变化的详细记载与现代的天文知识完全相符。事实上，这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的例子是屈原的文章《天问》。在现存的屈原的十七卷作品中，它属于第三卷。这篇以气势磅礴的诗句写成的文章，完全可能是基于几何学分析、应用了精确推理的最早的宇宙学论文之一。我在这里抄录其中的两段：
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。什么能够放在哪里？它又属于什么？宇宙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。东西为经，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更长还是更短？然后，他又问道，如果沿赤道椭圆弧运动，它又应当有多长？
今天我们知道，地球的赤道半径（6378.14公里）略长于地球的极半径（6356.755公里）。而公元前5世纪的屈原，在推论出“地”必须是圆的之后，甚至还能继续想象出“地”是扁的椭球的可能性，堪称一个奇迹。这一几何、分析和对称性的绝妙运用，深刻地体现了艺术与科学的统一。
璧、琮、璇玑和正极
按中国的传统，玉璧代表天，玉琮代表地。《周礼》中就有“以苍壁礼天，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，我想尝试地给出一种个人的新推测：也许璧和琮是某种更古老的天文仪器的艺术表现。
我们不妨设想，有一位生活在新石器时代的聪明祖先，他为美丽的夏季夜空所吸引，从入夜到拂晓，一直仰望着星星闪烁的清朗天穹，夜夜如此。当他发现天幕中所有的星星都缓缓绕着自己旋转时，自然会奇怪：什么宇宙之力能引起这样无限宏大的运动？而且，天空中有一个点是不动的，这又是为什么？
所有的转动都应当绕着一个不动的轴进行。天空中转动着的星星也一定绕着一个固定轴，即使我们看不见它。这个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，这一固定点具有根本的重要性，必须用仪器对它作精确定位。这就是我推测的璧和琮的来由。
璇玑是商代和商以前时期工艺品中的又一个谜，它很可能是新石器时代使用的一种真实仪器的艺术表现。按照西汉文献记载，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”。自汉世以来，绝大多数人认为它是浑天仪的前身——璇玑玉衡中的一个部件。
最近我在想，一个新石器时代的中国天文学家，要把天空中的固定点准确定位到零点几度，可能设计一台怎样的科学仪器。
我想，他需要一个直径约八尺、中心有孔洞的大圆盘，盘的边缘刻有三个近似方形的凹槽。圆盘借中心孔洞，套装在一个约十五尺长的直圆柱筒上端，柱筒截面的中心有一个孔。当天文学家在柱筒的下端通过盘边的凹槽观测天空时，可以看到每个槽中都嵌有一颗亮星。在庞阳教授的帮助下，我推测这三颗星很可能是大熊座（北斗）的η星，以及天龙座的η星和λ星。随着夜色的推移，这三颗星在天幕上转动。为了使每个凹槽继续跟踪同一颗星（方形凹槽对此最有利），圆盘也需要作相应的转动。如果能精确地作这样的跟踪，就能从柱筒中心孔自动观测到天空中的固定点。
在盘的边缘有三个凹槽，这是决定圆心的充分必要条件。槽的位置，又取决于对需跟踪的三颗星的选择。为了得到最高的精确度，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，定位就越准确。在新石器时代的技术条件下，要以竹、木材料制作直圆筒，十五尺恐怕是极限长度了。为了使圆筒牢固与准直，还要在空心圆柱之外加上一个更结实的套筒，比如一个硬木制的用石头加固的方形套筒。这样，就成了一台仪器，我们不妨把它叫做“璇玑仪”。
如果天空的固定点——正极，恰处于某一颗星的附近，人们定位的好奇心会更加强烈。如今，正极靠近小熊座的α星。过去的情况却并非如此，只是在公元前2700年左右是个例外。在更古老的年代，天龙座的α星几乎与正极相重。前面提到的三颗星，即天龙座的η星、λ星和大熊座的η星，在当时都是相对比较亮的星。巨大的“璇玑仪”很可能就是那个时期制造的。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，这一科学的成就又激发了艺术的创造力。巨大的“璇玑仪”的部件演变成象征性的精细抛光的玉制艺术品：刻意带了槽的玉片是商代的玉璇玑，不带槽的玉片是商玉璧，而圆柱筒和它的方形套筒则演化成商玉琮。
圆盘追踪于天，而方形套筒和圆柱筒则置于地。这就是璧表示天，琮表示地的原因。两者都是中华古代文明的杰出象征。作为玉雕，它是艺术；作为原始仪器，它是科学。艺术与科学如此紧密的联结，这正是中国文化固有的内涵。幸运的是，我们至今还保存着这些精美的商代玉器。通过这些艺术品，我们才得以一瞥祖先的科学成就。
在构思重建这一古代仪器的过程中，袁运甫教授的一幅关于汉镜与自由电子激光的画作，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。1995年，CCAST组织了一次国际研讨会，庆祝这一成就。袁运甫教授奉献的杰作，用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。
