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新华日报:南航施大宁教授讲解物理与艺术的诗意融合

发布日期:2012-10-25    发布人:施大宁    点击数:1506 【字体:

新华日报:南航施大宁教授讲解物理与艺术的诗意融合

时间:2012-08-29 来源:新华日报 作者:孙晨颖 王宇宁 杨频萍
 

    坛主小传

    施大宁,南京航空航天大学理学院院长、教授、博士生导师,享受政府特殊津贴,参与完成的研究课题于2002年获国家自然科学二等奖;在全国率先开设文理交融的“物理与艺术”通识课程,被评为国家级精品课程和中国大学精品视频公开课,获江苏省教学成果特等奖。  

 

    核心提示

    科学与艺术看似风马牛不相及。其实它们的区别只在于,在认识自然的过程中创造了不同的范式。

    艺术家和物理学家都在对时间、空间、光这三个宇宙间的本质存在进行理解。

    科学家是表现宇宙真实存在的艺术家,而艺术家是表现情感真实存在的科学家。

    只有展现人类宇宙情怀的艺术品才是最伟大的,只有展现人类宇宙情怀的科学法则才是最具有诗意的。

    想象力比知识更重要,想象力是创新的源泉。在追求和创造美的活动中,要时刻保持一颗好奇心。

    “事实上如一个硬币的两面,科学和艺术都源于人类活动最高尚的部分,都追求深刻性、普遍性、永恒和富有意义。”这是诺贝尔奖物理学奖获得者李政道先生的名言,他一直崇尚科学与艺术相互交融的研究与传播工作,试图以一种教育的方式给民众以一种启迪。确实,科学与艺术都源于人类的社会和精神活动,在人类历史上是共济和互动的,共同谱写了人类灿烂的文明。

 

    《天问》,艺术家写就的宇宙论文

 

    艺术,是人类以创造美为主要目的的技术及产品,是人对自然的加工改造;而物理学,是理解自然的最普遍的语言,它包括对自然的认知方式,以及树立起自然现象背后的一些永恒法则的意义。

    由于现代文明发展越来越快,人类文明的分支越来越多,物理等科学,看似和艺术关联甚少,但其实它们的区别只在于,在认知自然的过程中创造了不同的范式,或是艺术的范式,或是科学的范式,它们是在不同领域去理解自然和人类自身的情感。

    正如艺术评论家丹纳在《艺术哲学》中说过的一句话,艺术的目的并非表达现象,不是把看到的“云展云舒,花开花落”表现出来,而是追求现象之间的关联,追求现象背后那些具有永恒诗意的东西。同样,科学的本质就是追求现象背后的那些法则。量子力学奠基人、物理学家玻姆认为,物理学是追求对自然的一种全新的认知方式,就物理学充满真知灼见而言,它本身就是一种艺术。

    在物理学和艺术之间,存在着一个平行的历史发展脉络。看上去方法和语言不同,却包涵着人类实在的共同追求。这是一本叫《Art and Physics》(艺术和物理)的书中的观点,作者伦纳德·克莱既不是物理学家,也不是艺术家,而是个外科医生,他在1979年带着13岁的女儿参观纽约艺术博物馆,结果女儿看完却撇撇嘴说“皇帝的新装”,她说:“爸爸你不断地告诉我这艺术品怎么伟大,在我看来,越到现代艺术,我越看不懂,古典艺术我尚能看明白,现代艺术却都稀奇古怪,你能不能给我一个理由?”

    伦纳德在序言中感叹,自己一方面惊诧于女儿能提出这么深奥的问题;另一方面女儿这种对艺术的感觉,跟自己对物理的感觉完全一样。在学经典物理学时,还知道牛顿第二定律可以解释宝马加速比桑塔纳要快这种现实情境,可到了近代物理学的时候就完全云里雾里。他觉得这两者之间一定有必然的联系。他下决心要解释女儿这个问题,选修了物理课程和艺术发展史的课程,并花了14年时间写成这本书,并向我们传达了一个全新的思想——其实艺术家和物理学家,都是对时间、空间、光这三个宇宙间的本质存在进行理解。

    这正如我刚才阐述的,科学和艺术都是人类认识自然,揭示真理的手段,它们面对的问题是唯一的。这个问题是什么呢?我们来看后印象主义艺术家高更的一幅作品。

    高更本是个股票经纪人,年轻时候的收入是法国平均工资的80倍,4.5万法郎一年,本可以过上非常悠闲自得的生活,但他不幸而又有幸地喜欢上了艺术,跑到太平洋中间一个荒凉小岛上进行艺术创造。后来由于家庭变故加上贫病交加,他决定自杀。作为人生最后的宣言,他在4米半长的画布上,画了一幅艺术巨作。在画中,刚出生的婴儿寓示着人类诞生,中间的人采摘芒果暗示人采摘智慧、生存发展,后面的老人则意示着不可避免的死亡。这幅巨作诠释了他一直在思考的问题,即该画的标题“我们从何处来,我们是什么,我们往何处去”。跟科学家根本没有交往的高更,提出的这三个问题,正是科学的基本问题,霍金先生也在《时间简史》当中说,科学必须揭示三个问题——宇宙是怎样起源的,生命是怎样起源的,人类的未来会怎么样。

    物理与艺术的相通,穿越时空,跨越民族。“浩渺的宇宙究竟有没有开头?那时混混沌沌、天地未分,谁能弄得清楚?瑰丽的天盖高达九层,太阳和月亮高悬不坠,这是谁营造的?”这170多个天文学问题,组成了诗人屈原的鸿篇巨制——《天问》。诺贝尔奖获得者李政道曾说,他研读后发现,这是艺术家用诗写成的宇宙学论文。所以开拓一点讲,科学和艺术,是认识真理的平行愿景,面对的是同一个宇宙,拥有同一个梦想。打开世界大门的同一把钥匙

    从哥白尼起,人类开启了认识宇宙结构的大门,伽利略继承哥白尼的思想,开启了科学方法论的大门,此后,牛顿、麦克斯韦继续研究宏观的自然,万有引力、电磁引力的相互作用相继被发现,而他们所代表的经典物理学,最伟大的成就就是把宏观的自然法则确定下来,从而精确描绘了我们眼睛看得见的世界。

    但科学并没有到此结束,人类的求知欲和想象力决定我们最终要打破传统,进入一个高能和微观的世界,比如原子核内部的相互作用等,这是一个你眼睛所看不见的世界。因此在20世纪初,物理学家不可避免地发展了现代物理学,对自然进行抽象的思考。

    巧合的是,艺术的发展同样如此。西方美术之父乔托开启了西方艺术的大门,他在一张二维的画布上,表现出了三维空间。到了文艺复兴时期,以达芬奇为代表的一批写实主义画家,创造了古典艺术的辉煌。古典绘画的精华,在于画得栩栩如生。在光滑如镜的画面中,丝丝卷发、甚至蚂蚁的几只脚,几乎跟照片一样,这正是描绘了眼睛看得见的世界。

    但艺术绝对不会就此终止,如果艺术还是把人和风景画得很逼真,那样绘画艺术终究会被摄影全面替代,所以艺术家必然要冲破传统,做什么呢?去思考抽象的自然,去展现眼睛看不见的世界,于是在19世纪末现代艺术破茧而生。

     物理学家和艺术家不约而同地从观察自然到描绘自然、进而思考自然的革命性的发展历程,构筑起了科学和艺术发展史上一个个阶段性的成就,这些阶段性的成就代表了前卫性的科学家和艺术家的创新工作。在这样一个平行的发展历程中,我们有理由让物理学家和艺术家跨时空来相会,来共同看看他们在创造性的模式上有什么相通之处。

    首先让我们来看看物理和艺术发展史上四次最伟大的创新:哥白尼的日心说,乔托的透视画法,爱因斯坦的相对论,毕加索的立体主义。前两个分别是古典物理学和古典艺术,建立在经典时空的基础上。众所周知,在哥白尼之前,以托勒密提出的地心体系为基础的宇宙体系占主导地位,在托勒密的九重天体系中,地球在中间,月亮、太阳、金、木、水、火、土行星依次排开,最后一层是上帝的寓所,这个体系符合我们眼睛看得到的自然和基督教的教义,被奉为神明。但这样一个模型,一开始就有问题,比如行星的退行现象,比如火星6、7月份一直朝前走,但是10,11月的时候,火星退回来了,如果火星一直围绕地球在转,为什么一会儿向前,一会儿向后呢?托勒密说,这没什么可奇怪的,他提出一个模型,火星在转的时候有一个大的轨道,称之为均轮轨道,然后火星自身还有个小圆轨道,称之为本轮轨道,所以火星自身走的是一个摆线,正好10,11月份处于摆线里面,所以你看到它退回来了。这不就像一个艺术家的想象吗,非常漂亮、非常自然地解释了火星逆行的问题。

    但是一千多年来的天文学观测数据不断的出现,让人们发现,用均轮加本轮的方法给出火星的轨道,真的是太困难了,地心体系挑战了人类的认知能力。这个时候哥白尼出现了,他在住房后面做了一个天文观测台。请注意,那个时候没有天文望远镜,只能用肉眼观测,但他最大的创新性成就,就在于将天文观察与逻辑演绎方法相结合。文艺复兴时期破除迷信、解放思想的潮流使他敢于提出疑虑,为什么我们一定把看待宇宙结构的落脚点放在地球上呢?倘若把观察行星轨道的视点从地球转为太阳,结果又该如何呢?各位,就是这一个闪念,日心说诞生了,开启了人类掌握真实宇宙结构的大门。哥白尼最重大的创新在于——找到一个正确的参照点来看宇宙,有了太阳这个参照点,这个宇宙结构就变得简单和谐了。

    我们再看艺术家是怎么开启艺术之门的。西方美术之父乔托,没有受过任何系统教育,他试图冲破过去宗教化的一些束缚,表达出这样一个真实的世界。我们来看,在乔托之前的一幅圣像画——《圣狄奥多尔和圣乔治在侧的圣母子》,人根本就没有立体感,像悬浮在空中一样,没有时间和空间的概念,而且曲解了光的意义,连光都是从神明的头颅中发出来的。

    乔托之前没有人教他,怎么在二维图片上做出三维效果,他要凭自己感悟出来。比如乔托的作品《相遇金门》,后景人物画得小一点,前景人物画得大一点,建筑物和人物呈现一定的比例关系,就可以展现出所谓的三度景深,把立体感表现出来,这样一种建筑学的表现手法标志着美术史上的一次飞跃。再看看他稍后一点的作品——《哀悼基督》,乔托竟然画了一个背对我们的老妇人,立体感强烈到几乎跃出了画面,说明他已经感悟出在二维画布上怎么展现一个物体的立体形貌。做到这一点,靠的是什么?就是透视法则。按照这样一个法则,距离越远,图像越小,平行线要交汇到一点上。要完成这一点,第一步要做什么呢,要选一个参照点,即焦点,以这一点为准则,你看到的世界由远到近,依次排开,就可以展现出景深。所以乔托感悟出来的这样一个点的意义是巨大的。到了达芬奇时代,几乎没有艺术家不懂得透视学原理的,它因此成为艺术的根基,艺术创作的准则。这就犹如哥白尼告诉世人,看待宇宙需要找一个正确的参照点。

    总而言之,经典物理学和经典艺术都以绝对时空观为基础,是对自然的平行的认知愿景。艺术与科学创新,都是通过眼睛所及的一个重要参照点,从而开启了一个时代。

 

 

    用爱因斯坦解读毕加索

 

    20世纪初,诞生了现代科技的两大支柱,一个是相对论,一个是量子力学,同时诞生了现代艺术的三大流派,野兽主义画派、立体主义画派和未来主义画派,它们分别是光的革命、空间的革命、时间的革命,其中的“巧合”更是令人惊叹。

    牛顿告诉你,这个自然界,存在一个普适的时间。但是,如果你承认实验上确立的光速不变原理,那这自然界一定不存在普适的时间。我们看一个初中生就能想到的想象实验。一个火车上站着爱因斯坦,他戴着一块手表,这是表上的时间。灯塔上有个时钟,这是钟上的时间。火车不动的时候,时间一定是一样的;火车慢速朝前走,那么爱因斯坦看到自己表上的时间和灯塔上的时间也是一样的,因为光速远远大于火车运动的速度;大家现在想象,这个火车也是以光速朝前,所以爱因斯坦看到时钟上的时间一定是个永恒的时间。他非常诧异,时间怎么是绝对的呢?相对于我静止的手表,时间在流逝;相对于我运动的时钟,竟然是静止的。敢于怀疑时间,这是爱因斯坦独一无二的想象,这是在他之前的科学家没有跳过的门槛,也正是相对论的突破点。这启发我们,只要你敢于承认实验事实,敢于接受这个实验事实之下的合理的逻辑思考,不论得出来的结论将你的心智引向何方,你都要保持足够的胆量去想象。

    那我们再来看看空间。我经常开玩笑说,你可以去乡间,坐上一列火车去旅行,带上两个同伴,一个叫马奈,一个叫毕加索。当你的火车慢悠悠以每小时5公里的速度穿越乡间的时候,你打开窗户看看世界,这个世界没有什么不同。但是,一旦你以二分之一光速朝前走的时候,在运动方向上,空间收缩,而其他两个方向上,空间不变,带来的可能的一个视觉效果是,在垂直方向上物体被拉长,整个空间将产生一种扭曲效应。你打开正前方的窗户看看外面的世界,你惊讶地发现,原来远处的高山被拉近了,远处的大海,海平面被抬高了。如果打开旁边的窗户,因为空间的扭曲,你可能既可以看到房子的正面,也可以看到侧面,甚至可以看到顶部。这时马奈可能会轻轻地告诉你,这种视觉效果在1863年已经表现在《草地上的午餐》里了。再进一步想想,如果以全光速往前跑,在运动方向上,所有空间收缩到零,结果是,你可以看到被观测对象的方方面面,因为它全部都被压缩到两维平面上了。也就是说,彼此光速运动,既看到你的五官,又看到你的后脑勺。这时你旁边的毕加索,一点都不紧张,他一定会告诉你,这在1907年就已经表现在《阿维农少女》中了。

    毕加索的立体主义被誉为文艺复兴后最伟大的艺术革命。1907年,他横空出世的一幅作品《阿维农少女》,彻底地打破了西方美术的传统,根本不用三度空间表达自然,把所有的人物形态,从各个不同的表面进行分解,然后拼融到一个二维的画布上。如果观测对象是个人的话,他就将观测对象六个面全部进行分解拼融,根本没有景深,空间就收缩在一个两维的平面上。1907年,爱因斯坦还没在大学里找到职位,所以毕加索肯定不认识爱因斯坦,也肯定不了解什么相对论,但是他以自己的天才创造展现了同样一个时空图景。

    毕加索有句名言:“我只画我思考的东西,不画我看到的东西。”而爱因斯坦也说:“想象力比知识更重要。”中国人的想象也很丰富,辛弃疾的《木兰花慢》中有一句为“飞镜无根谁系,嫦娥不嫁谁留?”王国维在《人间词话》中评述:“词人想象,直悟月轮绕地之理,与科学家密合,可谓神悟。”

    今天,牛顿告诉你“飞镜无根引力系,嫦娥不嫁速度留”,爱因斯坦以更加恢弘的理论告诉你“飞镜本无根,嫦娥空自留”。在整个革命性的创造历程中,大家时刻要抓住一句话:想象力是创新的源泉,在追求和创造美的活动当中,要时刻保持一颗孩童般的好奇心。

    最后,我想告诉大家一句话,科学家是表现宇宙真实存在的艺术家,最高境界要以人性之浪漫情怀拥抱宇宙之道;而艺术家是表现情感真实存在的科学家,最高境界要依照宇宙之道表达人性之浪漫情怀。所以,只有展现人类宇宙情怀的艺术品才是最伟大的,只有展现人类宇宙情怀的科学法则才是最具有诗意的。

    在19世纪末,古典艺术发展已经非常完善了,可以把自然表现得栩栩如生。当时的艺术家对艺术作品的评价标准是,作品一定是可以被理解的,连卖画都必须经评审通过之后,才能进入市场。1863年的评审,使得大量青年艺术家的作品被退了回来,法国拿破仑三世迫于社会压力,就同意那些青年画家自己搞一个叫“落选者沙龙”的展览,这也被公认为近代美术的开始。

    在沙龙上,一个温文尔雅的画家马奈,展出了一幅争议性作品《草地上的午餐》,评论家抨击很激烈,画得乱七八糟,完全违反透视画法,远处洗浴的女子和近处的池塘相比,池塘倒像一个小浴缸,把远处拉近了,把视觉抬高了,有好事者用透视原理给这幅画校正,得出远处洗浴女子身高有4米。马奈接受不了这个抨击,他说,我不明白,你们为什么老是让我表达眼睛看得到的世界。这句话,几乎为现代美术做了定义。

    其实马奈的实验遭到抨击的主要原因,就是动摇了支撑西方美术两百多年的传统——透视法则。现在,马奈却被誉为现代美术的亲生父母。现代评论家是这样评说的:“整个画面在保持原有平面性的同时,暗示着一种全新的三维视觉空间的存在。”

    它暗示一种怎样全新的三维视觉空间呢?40年之后,爱因斯坦以优美的数学给出了答案。马奈所展示的空间,就是以高速向前走时,看到的相对论时空。在运动的方向上,空间被收缩了,因此远景一定被拉前,视觉一定被抬高。令人感慨的是,爱因斯坦这样一个空间收缩的图景,40年前就被艺术家以惊人的想象力,奇妙地表达在画作之中。

    爱因斯坦从16岁起一直思考一个问题,光速是不变的,那么和光一起跑,时间和空间会怎么样呢?他想了10年,得出一个最基本的观点,时间一定不是抽象的,一定是物理的,就如同空间是物理的一样,可以测量长短流逝。

    牛顿告诉你,这个自然界,存在一个普适的时间。但是,如果你承认实验上确立的光速不变原理,那这自然界一定不存在普适的时间。我们看一个初中生就能想到的想象实验。一个火车上站着爱因斯坦,他戴着一块手表,这是表上的时间。灯塔上有个时钟,这是钟上的时间。火车不动的时候,时间一定是一样的;火车慢速朝前走,那么爱因斯坦看到自己表上的时间和灯塔上的时间也是一样的,因为光速远远大于火车运动的速度;大家现在想象,这个火车也是以光速朝前,所以爱因斯坦看到时钟上的时间一定是个永恒的时间。他非常诧异,时间怎么是绝对的呢?相对于我静止的手表,时间在流逝;相对于我运动的时钟,竟然是静止的。敢于怀疑时间,这是爱因斯坦独一无二的想象,这是在他之前的科学家没有跳过的门槛,也正是相对论的突破点。这启发我们,只要你敢于承认实验事实,敢于接受这个实验事实之下的合理的逻辑思考,不论得出来的结论将你的心智引向何方,你都要保持足够的胆量去想象。

    那我们再来看看空间。我经常开玩笑说,你可以去乡间,坐上一列火车去旅行,带上两个同伴,一个叫马奈,一个叫毕加索。当你的火车慢悠悠以每小时5公里的速度穿越乡间的时候,你打开窗户看看世界,这个世界没有什么不同。但是,一旦你以二分之一光速朝前走的时候,在运动方向上,空间收缩,而其他两个方向上,空间不变,带来的可能的一个视觉效果是,在垂直方向上物体被拉长,整个空间将产生一种扭曲效应。你打开正前方的窗户看看外面的世界,你惊讶地发现,原来远处的高山被拉近了,远处的大海,海平面被抬高了。如果打开旁边的窗户,因为空间的扭曲,你可能既可以看到房子的正面,也可以看到侧面,甚至可以看到顶部。这时马奈可能会轻轻地告诉你,这种视觉效果在1863年已经表现在《草地上的午餐》里了。再进一步想想,如果以全光速往前跑,在运动方向上,所有空间收缩到零,结果是,你可以看到被观测对象的方方面面,因为它全部都被压缩到两维平面上了。也就是说,彼此光速运动,既看到你的五官,又看到你的后脑勺。这时你旁边的毕加索,一点都不紧张,他一定会告诉你,这在1907年就已经表现在《阿维农少女》中了。

    毕加索的立体主义被誉为文艺复兴后最伟大的艺术革命。1907年,他横空出世的一幅作品《阿维农少女》,彻底地打破了西方美术的传统,根本不用三度空间表达自然,把所有的人物形态,从各个不同的表面进行分解,然后拼融到一个二维的画布上。如果观测对象是个人的话,他就将观测对象六个面全部进行分解拼融,根本没有景深,空间就收缩在一个两维的平面上。1907年,爱因斯坦还没在大学里找到职位,所以毕加索肯定不认识爱因斯坦,也肯定不了解什么相对论,但是他以自己的天才创造展现了同样一个时空图景。

    毕加索有句名言:“我只画我思考的东西,不画我看到的东西。”而爱因斯坦也说:“想象力比知识更重要。”中国人的想象也很丰富,辛弃疾的《木兰花慢》中有一句为“飞镜无根谁系,嫦娥不嫁谁留?”王国维在《人间词话》中评述:“词人想象,直悟月轮绕地之理,与科学家密合,可谓神悟。”

    今天,牛顿告诉你“飞镜无根引力系,嫦娥不嫁速度留”,爱因斯坦以更加恢弘的理论告诉你“飞镜本无根,嫦娥空自留”。在整个革命性的创造历程中,大家时刻要抓住一句话:想象力是创新的源泉,在追求和创造美的活动当中,要时刻保持一颗孩童般的好奇心。

    最后,我想告诉大家一句话,科学家是表现宇宙真实存在的艺术家,最高境界要以人性之浪漫情怀拥抱宇宙之道;而艺术家是表现情感真实存在的科学家,最高境界要依照宇宙之道表达人性之浪漫情怀。所以,只有展现人类宇宙情怀的艺术品才是最伟大的,只有展现人类宇宙情怀的科学法则才是最具有诗意的。

 

《新华日报》原文网址:http://js.xhby.net/system/2012/08/15/014158210.shtml

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