物理学与艺术

物理学与艺术

如果说物理学的想象和比喻的属性几乎是不为人所知的秘密，那么物理学的艺术属性则为大多数人所了解。许多物理学家都深深赞叹物理学本身固有的美学特征：简洁、精练、优美、对称、和谐、有序以及其逻辑性。 Freeman dyson 甚至强调，如果一个定理缺乏美感，那么它肯定是不正确的。然而，这一切只不过都是一种文字表述而已，事实上，一切科学理论都是通过实验的结果来验证的，精确的结果才是科学的最终检验标准。

科学对19世纪末和20世纪的艺术产生了深远的影响。现代物理学的概念可以从点画派作品的雾化效果上，从立体主义作品的变化的断裂空间效果上，从超现实主义作品对流动空间的表现上，从未来主义作品的临时肖像的表现上，从无调的、连续音乐表现的随机不定的音律上，从抽象主义作品对无意义的景象的表达上以及从荒诞剧的无意义表演上，都能找到它的影子。

从更广泛的哲学观点上看，物理学不只是影响着艺术，实际上物理学本身也是一种艺术形式。许多物理学的描述和符号都是一种比喻，因此它代表了一种看得见的富有诗意的创造。在物理学中，除了我们发现的对概念的客观描述外，它还包含叙述性、主题性、文学性及戏剧性的成分。例如，大爆炸理论好像讲述了一个有着激动人心开端的神话传说，经历了一个漫长的演化过程，并且具有一个悲剧的结局；发生冲突的科学理论之间的辩论就好像法庭辩论一样；苯环结构的原型是在睡梦中得到的，这些在文学题材中都是一个很好的素材。

电子学的联系

看看在现代摇滚音乐会和录音棚中使用的设备，你可以很容易地看到物理学实验和技术的应用。音乐的调制、控制、录制、放大等技巧已经被现代电子和计算机技术永久地改变了。

电子技术不但操纵而且创造着现代音乐。电吉他、电子琴已成为音乐家创作和演奏音乐所必备的工具。使用合成器和计算机来合成音乐已成为标准的创作过程，艺术家们甚至利用电子技术在一些博物馆和办公建筑里创造音乐雕塑和声音环境。

音乐工业实际上是随着20世纪物理学的发展而发展起来的。例如激光音乐视盘充分地利用了激光和数字化技术，在不到10年的时间里对音乐的复制、处理、播放技术带来了革命性的变革。实际上在音乐制作和播放中使用的每件器材，从录音棚的麦克风到家用音箱，都是与物理学家和物理工程师的工作密不可分的。

艺术中的物理学

艺术不仅仅受到物理学技术的影响，而且也受到物理学理论和观点的影响，这在视觉艺术形式上表现尤其突出。我们可以看到许多新的艺术形式与物理学概念互相补充的例子，例如19世纪末的点画派画家Georges Seurat和Paul Sipnac 用细小的色点在画布上作画，当人们从适当的距离上观看时，就会在眼中呈现出合成的色彩和图像效果，这种技巧反映了观察的雾化效果以及光线和颜色是可以分成简单基本元素的观点。同样的，印象派画家Camille Pissarro和Claade Monet，以及深受印象派影响的画家Maurice Vtrillo，使用明亮的色彩和轻轻润色来模仿光线照射在物体上的物理效果以再现光线在人眼中的景象。

在20世纪，我们甚至可以在视觉艺术中发现更多现代物理学的影子，立体派画家Picasso及Georges Brague勾画了一种空间“断裂”的景象，这实际上是一种对相对论理论的暗示，在相对论的理论中，不同的观察者对时间和空间的描述是不同的，由于立体派对原来时间、空间概念的彻底否定，因此它实际上反映了许多相对论的基本观点。

我们看到的这些扭曲，充分反映了广义相对论的曲线时空的观点，这种曲线的、流动的空间概念，在超现实主义派画家Sal-vador Dali，Joan Miro，和Yves Tanguy的作品中得以充分的体现，他们的作品都是以伸展的、扭曲的、弯曲的塑料状物体来表现艺术观点的。

在绘画作品中同样也能看到物理学中关于时间的概念，例如在未来派画家Umberto Boccioni和Giacomo Balla的作品中。Mar－cel Duchamp著名的“步下楼梯的裸体”这幅画中，时间被表现为连续图片的多次曝光形式。这种作品也受到动画片的影响，但是这种在单一静止的画面中时间和运动的表现方式实际上代表了以相对论的新手法来处理时间与空间的概念。

现代物理学中的哲学观点在20世纪的绘画作品中也得到充分的体现。Giorgio De Chiricor的作品中描绘了凄凉的几何状的城市景象，在荒芜的内部以一种无目的和模糊方式充满了机器人和肢解的躯体的景象。De Chiricor和其他抽象派艺术家则以一种外部的，对立的观点来反映随机的无意义的现实。我们不难把他们的作品同量子理论的混沌概率和不规则性联系起来。

画家Rene Magritte的作品，则是通过一种错觉形式来反映现实生活的特征，在其Les Prowenades d’Euclide的画中，表现了一幅放在窗前书架上的油画，这幅画正好挡住了外面的街道和房屋，画上的内容却恰恰反映了被挡住部分的景色，画上的描述与直接看到的景色具有近乎完美的一致性，但总给观众留下了一些不舒服的感觉：因为一般人会意识到，一旦将画布移去，在窗前将会留下一个空洞。Magritte好像是在询问：什么是现实？而什么又是我们表现的东西？在

现代的量子理论中，人们可以精确预言现实，但却不能准确地描述它，Magritte 的作品深刻地提示了这一点。

James Roseequist的作品，“地区代码”则是用嘲讽的手法来评价现代电子通信技术的混乱与复杂性，在这幅绘画作品中，Rosen-quist描绘了有一段五颜六色、电话线暴露在外面的粗大的电缆，背景介质则是一张银灰色的聚酯薄膜，每一边都以恰当的角度卷起，以便增加反射效果并增加了整个视图效果的复杂性，Rosen-quist巧妙地运用反射材料来增强电话线的缠绕特性，并用来暗示在电话网络上传送的成百万条的交错信息的重复与反射的特性。反射的衬托也将观众带入画中并使其成为混乱的通信系统的一部分。最后这种反射使人产生一种艺术上的错觉……这到底是现实还是错觉！

Jackson Pollock的作品充满了随机性和纹理品质，这反映了现代物理学中原子的离散量化结构和随机的不定的运动构造。从更广义的角度来说：20世纪中期的艺术活动的特征——抽象艺术派画作、无调性音乐，以及荒诞剧情都是量子理论中随机性及纯科学唯物论的体现。

物理学似艺术

我们已经了解艺术反映了现代物理技术的外在表现和内在价值，但反过来是否也是这样呢？在现代物理学的概念和想象中是否隐藏着某种艺术形式呢？我们是否能把物理学的著作不仅放在科学博物馆中，而且也放在艺术博物馆中呢？

20世纪物理学的许多可视模型和符号表示式都是有其艺术品质的，这方面明显的例子有：在广义相对论中空间被描绘成曲面空间，黑洞则被形容成时空坐标中的一个漩涡；原子中电子的概率分布被描绘成叶片的漂浮以及壳状的形式；激光或电子束的衍射被描述星形和环状结构，原子谱被描绘成彩虹色谱，以及在宇宙中行星、恒星和银河系的景象描述等。

但是不只是可见的科学现象具有艺术优点，那些对现代物理现象和概念的深层分析却也蕴藏着更强的美学观点：爱因斯坦相对论的时间扩张以及长度压缩的同时性观点已经产生了关于时空的惊人的新概念，他的著名公式E=mc2揭示了在质量和能量间的对称性联系，这种对称性在量子理论中得到了进一步引申，并得出了物质和反物质的概念，从而引发了对现代基本粒子的寻找。事实上，美学的对称性、有序性、简洁性、精练性以及完整性等原则，在激励和引导科学家们选择和设计研究项目时起了很重要的作用。

量子理论的预言看上去是离奇的、不可想象的，但它们又是令人振奋和具有讽刺意味的，电子之间的干涉导致人们发现了电子的波粒二象性，玻尔模型和量子理论不仅为原子和它的谱结构提供了一种解释，而且提出了一种独特新颖的原

子、分子结构。只有量子理论对称的、有序的原子结构观点才能解释导体和超导体现象。

现代物理学关于原子的研究导致了原子能的利用和原子弹的产生，尽管它们有着潜在的破坏性，但其作用还是十分巨大的。对原子的研究使人们对物理学的对称性和一致性有了新的看法，这在最新的夸克模型和场论中得到了充分的体现。这些新的理论使得一种“最终理论”的产生成为可能，利用这种理论人们可以对一切的力和自然现象作出解释，这一理论是每个物理学家追求的最终目标。

所有这些20世纪物理学的概念、模型及理论不仅在某种意义上说明了现实的物理世界，而且具有美学的价值，因为它们也是人们的思维创造，拥有真正的艺术品的独特、独创和富于想象力的特征。

物理学似文学

物理学的美学品质远远超出了纯视觉和概念这两种艺术形式，它们还扩展到文学和戏剧这些形式上，把物理学同故事情节联系起来听起来比把它和视觉艺术联系起来更奇怪，但是一种新的人文学科——叙述学可以在许多学科找到叙事的根源，例如从文学、人类学、哲学、历史学甚至是自然科学上均可找到，它的基本观点认为：人类喜欢讲故事，在超出文学范畴的许多领域内也在无意识运用这种方法，在阐述历史事件、哲学辩论，甚至在进化论这样的科学理论中均能找出叙述的影子。

叙述学的观点同样在物理学中得到应用，因此在物理学中发现文学与戏剧的成分并不是令人吃惊的事。毕竟，物理学也是人类活动和文化的产物。

当科学家们讲述他们自己的学科，特别是作概括介绍时，他们常先以本题目的历史或与自己有关的故事开头，这看上去非常自然。该学科的历史能够帮助我们了解它的特点和发展，某些人参与的故事使得外人对该题目更感兴趣，但是根据叙述学的观点，我们喜欢讲故事并不是偶然现象，而是人们对事件前因后果的兴趣帮助了我们做这种事情。它同样在我们的工作中起作用，任何学科的某些结构、逻辑都是以叙述的基本元素为基础，它的发展也受其影响，物理学也是这种情况。

如果大爆炸的发生不是伟大的史诗性故事，那么它又能是什么呢？我们是否可以把它看成是创世纪的神话或戏剧呢？它具备一个传说故事应具备的全部基本要素。它有一个激动人心的开端：在剧烈的爆炸中产生了物质、能量、时间和空间。然后紧接着一个肥皂剧式的发展过程：在其中产生了基本粒子、原子和元素，并且在不断创造着物质、星系、银河以及生命等，这是一个充满着错误的开始、曲折、危险以及死胡同的过程——好像是一个典型的朝圣者朝圣的故事。最后，导出一对悲剧性的结局，其中之一是：宇宙开始崩溃、物质退化、质子衰变

等，每一种事物都逐渐走向死亡。另一种结局是，这种创造和毁灭的过程将进入一种无意义的永不停歇的循环过程。

量子理论也有其叙述成分，20世纪关于光的粒子性和波动性的长时间历史争论导致了两种观点的合成，即“波粒性”的出现。这种性质说明了光的两种属性，光在不同的环境下将表现不同的性质。我们可以认为这种结论是哲学史发展中命题、反命题及其综合的结果，而另一方面，我们也可以认为是法庭双方为解决问题而互相妥协的一个例子。

科学历史学家Gerald Holton从更广泛的意义上来理解科学叙述性这个问题。他认为，在许多科学思想的背后，都有一个主观命题和信念支撑着。开普勒就是关于这个观点的一个很好的例子，我们在前面的章节中曾提到过这位伟大的德国天文学家和数学家。他第一个正确地提出了椭圆行星轨道的理论，而柏拉图等人以前一直认为其轨道是圆形的。最初，开普勒也一直坚信圆形轨道的理论。尽管从测量的数据，特别是关于火星的轨道数据，非常符合椭圆轨道的公式，但由于他一直相信柏拉图的关于圆形是最理想的几何图形的观点，所以他一直认为行星运动必然遵循圆形轨道。在许多年以后，他才逐渐接受了椭圆轨道的理论。

另一位历史学家Thomas Kuhn认为，科学理论的提出与发展和服饰的流行趋势很相似。Kuhn给出了一个在不同历史时期被人们广泛接受的科学理论的变化趋势，其中经典物理学和替代其统治地位的相对论的更替就是一个很好的例子。但相对论并没有完全摆脱牛顿时代的影响。许多顽固的科学家仍然坚持旧的理论体系，但他们所扮演的角色只不过是新理论产生过程中的旧理论的卫道士而已。

创造的活动

文学和戏剧的主题不仅反映在科学理论的表面上，而且在理论创建的过程中也得以体现。例如，爱因斯坦在创立广义相对论的过程中，由于对自己的思维进行了重新认识而彻底改变了他的科学哲学观点。

在他的前半生，他认为科学理论只不过是事实的逻辑表述，随着对广义相对论研究的深入，他开始逐步认识到人类的想象在科学理论发现的过程中起着根本的作用，凭着他对自然规律的直觉，他对经典物理学提出了质疑并推导出著名的一致性公式。对于爱因斯坦来说，科学理论已经成为遵循简洁、精练、有序性等美学原则的人类思想的自由创造，它是通过实验结果来验证的。因此，爱因斯坦坚信：科学的“美感”胜于“事实”。

在得知爱丁顿在1919年日蚀的观测证实了广义相对论的正确性的消息之后，爱因斯坦的一个学生问他，如果他的理论被证明是错误的，他该怎么办？爱因斯坦回答说：“那我只能替上帝感到遗憾，因为我的理论是正确的。”

另一个例子也可以反映这个问题，苯环结构的发现者凯库勒，是他在睡觉时梦到了一只首尾相连的蛇后得到启发，才提出了苯环的结构，从而解开了有机化学中的一个谜。

衰落的演化

人类思想和物理学现实之间的关系是十分微妙的，量子理论提出了关于人的思想和物质独立性之间关系的问题。量子理论认为，观测者将对被观测事件产生一个随机的不可预测的影响，观测者不可能在不影响电子状态的情况下观测它，这意味着人们对物理现实的观测不可能脱离人类的思想活动，我们关于现实世界的看法总是被渲染上美学和比喻的色彩。

这种令人困惑的研究自然的方式是现代物理学的典型特点，它已经变得越来越抽象和数学化。举个例子来说，物质已不再被认为是由实体组成的了，它们现在只是一种具有理想特性的概念而已，就像一座空中楼阁。人们不再把电子看成是一种坚硬的小球，它们只具有“波粒性”特征，只能用概率分布的形式来描述，就好像神话中的幽灵一样，时间和空间被描述成一个弯曲的四维连续流——一种非常具有科幻味道的抽象几何描述。黑洞则被理解为存在于奇怪的、扭曲的相对时空中的无底深渊，最基本的物质粒子夸克被认为隐藏在原子的深处，始终处于深不可测的状态，因此使它看上去更像是一种数学模型而不是真实的物质，就好像神话中被囚禁在塔中的公主一样。

以上所有这些，到底是真实存在的，还是仅存在于人们的想象之中，抑或是艺术家们的创造？事实上，现代物理学看上去更像是一种艺术和想象。现在，很难弄清什么是客观的存在，看上去，现实就像数学家所定义的一种数学模型一样。