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由于存在失败的可能性，我们如何尝试去超越我们所知道的？如何诠释目前还没有解释的现象？本章将阐述关于美的概念以及审美标准在科学中担当的角色，以及将美作为指导原则的优缺点。本章同时会介绍建模知识，它采用一种自下而上的科学研究方法并且兼顾美学标准，来猜想接下来会被发现的理论。
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美
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我最近与一位艺术家聊天，他幽默地评论当代科学的一个巨大讽刺是，今天的研究者看起来比时下的艺术家更有可能将美作为他们的目标。当然艺术家们并没有遗弃美学标准，但是他们在讨论工作的同时还会讨论发现与发明。科学家们虽然也珍视其他属性，但他们同时致力于发现最引人注目的优美理论。
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尽管许多科学家对于优雅的评价很高，他们关于简单与美却有不同的定义。就像你与邻居就当今艺术家，例如达明安·赫斯特（Damien Hirst）的才华有着强烈的分歧一样，不同科学家对不同的科研方向也有着各自的喜好。
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与志同道合者一样，我倾向于寻找能将观测到的表观不同的现象联系起来的基本原理。我的绝大多数弦理论同行研究具体的可解理论，他们会使用艰深的数学公式解决玩具问题（toy problem）——不必与真实的物理设置相关联的问题，那些只有以后才能被发现可以应用于观测到的物理现象的问题。其他物理学家则倾向于关注仅有简洁优雅公式的理论，这些理论可以产生许多他们可以进行系统计算的实验预测。
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有趣的原理、高级数学与复杂的数值模拟都是物理学的一部分。绝大多数科学家很重视它们，但是我们根据自认为最满意或者最可能引领科学发展的事物选择最优的。事实上，我们常常按照哪一种方法与我们独特的偏好和天赋相契合，来选择它们。
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不仅当前的审美观点会变。与艺术一样，随着时间流逝，连态度也会演变。默里·盖尔曼的专业——量子色动力学，就是一个极好的例子。
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盖尔曼关于强相互作用力的猜想基于一个天才的洞察力——20世纪60年代不断发现的粒子可以被组织成一个合理模式，以此来解释它们的丰度和类型。他假设存在更多被称为夸克的基本粒子，认为它们带一种新型的电荷。这样，强相互作用力就会影响任何携带该种假想电荷的物质（就像电相互作用将电子和带电原子核结合起来，形成电中性原子）。如果这是真的话，那么所有被发现的粒子就可以被理解成这些夸克的束缚态（聚集在一起的不带净电荷的物质）。
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盖尔曼意识到，如果有三种不同类型的夸克，其中每种夸克带一种不同的色荷（color charge），那么它们可以形成有许多种组合的中性束缚态。这些组合的确对应于实验发现的过多粒子。盖尔曼从而发现了看起来杂乱无章的粒子的一种优美解释方法。
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然而，当盖尔曼以及另一位物理学家（后来的神经生物学家）乔治·茨威格（George Zweig）第一次提出这个理论时，人们甚至不相信这是一个正式的科学理论。其原因虽然是出于技术考虑，却也很有趣。粒子物理学的计算依赖于距离很远、没有相互作用的粒子，当粒子接近时，我们能计算其产生的相互作用的有限效应。在这种假设下，任何相互作用都可以完全被非常相近粒子的区域相互作用刻画。
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另一方面，盖尔曼猜想的相互作用在粒子进一步分开时反而变得更强了。也就是说即使夸克相距较远时，它们也会相互作用。根据当时占统治地位的标准，盖尔曼的猜测甚至没有对应到一个可以用来做可靠计算的真实理论。因为夸克总是相互作用，即使所谓的渐近态（asymptotic state，夸克远离任何其他物质的状态）也非常复杂。在一个明显的向丑让步的情况下，他们所提议的渐近态不是一个你希望看到的可计算理论中的简单粒子。
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起初，没人知道如何在这些复杂的强束缚态中开展计算。然而，今天的物理学家关于强相互作用力的想法截然相反。我们现在的理解比该想法刚提出之时已经好得多了。戴维·格罗斯、戴维·普利泽（David Politzer）与弗朗克·韦尔切克（Frank Wilczek）因其名为“渐近自由”（asymptotic freedom）的研究获得诺贝尔奖。在高能时，强相互作用力并不比其他相互作用的耦合更强，前者的计算工作与后者类似。事实上，一些物理学家今天认为，在高能时耦合变弱的理论（例如强相互作用力）才是唯一合理定义的理论。因为相互作用的强度在高能时不会达到无穷大，而其他理论的强度则可能达到无穷大。
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盖尔曼有关强相互作用力的理论是一个联系美学与科学准则的有趣例子。简洁性是他最初的指导原则。但在每个人都认同他的这个美的提议之前，还需要有艰难的科学计算和理论洞见。
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当然，这不是唯一的例子。我们所相信的许多理论都有着表观丑陋和毫无说服力的方面，甚至受人尊敬、卓有成就的科学家最初也反对它们。量子场论（将量子力学和狭义相对论结合起来）是所有粒子物理学的基本理论。而诺贝尔奖获得者、意大利科学家恩里科·费米等一开始也反对它。对于他来说，尽管量子场论将所有的计算正规化与系统化并且作出了许多正确的预测，然而它涉及的许多计算技巧，哪怕在今天的一些物理学家看来也是非常怪异的。量子场论在不少方面都相当优美，且其洞见也引人注目。不过，我们必须忍受它的其他复杂、不甚让人满意的特点。
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这种故事已经重复了很多次。美被认可经常是后验的。弱相互作用力违背了宇称守恒。这意味着，向左旋转的粒子的相互作用与向右旋转的不同。这种左右等价的基本对称性的破缺令人烦恼，且毫无吸引力。然而正是这种不对称性催生了我们在世界上所看到的不同质量类别，它们对这个世界的构成、生命的形成也是必要的。起初它被认为是丑陋的，而现在我们知道它是必不可少的。虽然它自身可能很丑，但是宇称破缺让我们对所见之物有了更至关重要、更优美的解释。
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美不是绝对的。一种想法对于创造它的人来说可能是有吸引力的，但从其他人的角度来看可能是麻烦的或是杂乱的。有时我会陶醉于自己想到的一个猜想，很大程度上是因为我知道以前人们所想到的其他想法都没有奏效。比以前出现的理论更好，却并不保证优美性 。我让自己参与创建的模型满足了这个标准，但不甚熟悉该模型所表达主题的同事仍然对此表示怀疑和困惑。我想到了一个认定什么是好想法的更好标准：一个好的想法可以让甚至从来没有研究过相应问题的人都能欣赏到它的美 。
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事情的反面有时也会发生——好的想法被拒绝，是因为其发明者认为它们不够优美了。马克斯·普朗克不相信存在光子（他觉得这是一个让人讨厌的概念），即使是他引发的诸多逻辑导致了这种猜想。爱因斯坦认为根据其广义相对论得出的宇宙膨胀理论不可能正确，部分原因是它与他的美学和哲学倾向相违背。彼时，两者中没有哪一个想法看起来是最美妙的，然而物理定律与它们所应用的宇宙却并不会在意它们美不美。
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看起来很好
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鉴于美具有演变性和不确定性，值得考虑一些特征——它们可以使一个想法或者一个形象在某种形式上具有客观美丽性并具有普遍吸引力。也许关于审美标准最基本的问题是：人是否拥有“何为美”的统一标准（在任何情景中），无论是艺术，还是科学 。
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没有人知道答案。毕竟，美与品位相关，而品位可以是很主观的判断。然而，我发现很难相信人们毫无审美标准的共识。例如，在特定的展览中哪些艺术展品是最好的，或者人们常选择去看哪些展览，人们的意见总是令人吃惊地一致。当然这并没有证明什么，因为我们处在相同的时间与空间中。很难将关于美的各种信仰从它们所产生的具体文化背景及时空背景中隔离开来，因此我们很难将浑然天成的属性从后天习得的价值与判断中分离出来。在一些极端情形中，人们可能会一致赞同某件事物看起来不错或者不好。而在极少的情况下，每个人都同意一个想法的美妙之处。但是即使在这些鲜少的事例中，人们也不一定赞同所有的细节。
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即使如此，一些审美标准看起来仍是统一的。任何艺术课刚开始的时候都要讲平衡。米开朗基罗的《大卫》雕塑就是这一原则的典范。大卫优雅地站着，他永远不会翻倒或者崩塌。人们可以从中寻找平衡与和谐。艺术、宗教与科学都给了人们接触这些品质的机会。当然平衡也可能只是一个规划的原则。当艺术打破了平衡感时，它同样可以让人陶醉，比如雕塑家理查德·塞拉（Richard Serra）的早期雕塑作品（见图15-1）。
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图15-1 理查德·塞拉的早期雕塑作品表明，有时一点失衡感反倒为艺术增添了几分趣味。（版权©2011，理查德·塞拉/艺术家权利协会，纽约）
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