绘画“讲述”的科学故事

作者:刘夕庆来源:蝌蚪五线谱发布时间:2016-12-21


				

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     古往今来,由绘画“讲述”的科学故事不胜枚举。特别是一些科普性的科技史、科学发现和发明故事中经常采用引入著名或佚名画家与科技内容有关的作品作为插图。但作者认为,有些插图的运用只能起到对科普的辅助作用,不能以其独立的形式进行科普形象表达。而真正能“讲述”有关科学故事的画作需要专门性的科学美术创作,有时甚至要将看似抽象深奥的方程有机地融入画中,并在形象与抽象的有趣交汇中让青少年不知不觉地理解到他们在课堂上需要强记才能掌握的东西——在这篇杂谈中本人想做一些尝试。

  让画作“讲述”彰显科学思想的故事

  17世纪的西欧已经制造出多种多样的用于测量的工具,并建立了一整套定量测量的单位。此时人们都认为,古罗马诗人贺拉斯的诗句“万事万物都能被测量”绝对有理。尽管在今天人类已将测量精度提高到微观粒子水平,但事实上,德国物理学家海森伯于1927年提出的“测不准原理”(或称“不确定性原理”),道出了人类于微观量子力学范畴的科学度量在理论上存在着某种局限:在确定粒子的位置时不能同时确定其动量大小,反之亦然。

  身为量子力学的主要创始人,海森堡成为了1932年诺贝尔物理学奖获得者之一。而量子力学是整个科学史上最深奥、意义最深远的思想之一,海森堡为其矩阵形式的建立做出了关键性的贡献。

科学思想:海森堡举起“不确定性原理”之帽

  海森堡举起“测不准原理”的科学思想之帽——画中的数学式就是该原理的数学表达(其中Δx为位置变化,Δp是动量变化,h为普朗克常数);这一存在于微观世界的科学思想就像海森堡的戴帽(位置确定,动量不能同时确定)或是举帽(动量确定,位置不能同时确定)一样可被轻松的理解。

  “科学思想”是在不同历史阶段,于各种特殊科学认识和研究方法的基础上提炼出来的、能够发现和解释其它同类或更多事物的合理观念和推断法则。它对进一步的、更广泛的科学研究和实践具有导向作用,如“物质波”概念思想的提出就是这样。

  受爱因斯坦光量子波粒二象性之启发,20世纪20年代,一个法国年轻人德布罗意突发灵感,提出了“物质波”的概念思想。出生于贵族的德布罗意并没有像其他公子哥一样整天游手好闲,而是通过努力成为了一名真正的理论物理学家。而“物质波”理论后来又成为了薛定谔建立量子力学波动形式的基础,1929年他独自获得了诺贝尔物理学奖——应该讲,他是勇敢推广量子论思想的第一人。

科学思想:德布罗意思考“物质波”

  画中德布罗意正在思考他的“物质波”方程式的形式表达——物质粒子波动的波长(λ)与普朗克常数(h)成正比、而与其行进的动量(mv)成反比,即具有静止质量的物质粒子(如“电子”)也具有波动性,它与粒子性的关系好比一个“硬币”的两面,互融共存,在不同的条件下具有不同的表现…

  让画作“讲述”突显科学精神的故事

  科学精神是人们在长期的科学实践活动中形成的共同信念、价值标准和行为规范的总称。它突显为实事求是、有坚持力、不辞艰辛、勇于创新的精神。在科学史上无数体现科学精神的故事感人至深,而在这些故事中,居里夫人一家4人的事迹尤为突出。

  证明天然放射性元素的存在并把它们分离出来,是居里夫妇一生中最大的科学功绩——所以能取得这样的伟大成就,不仅凭借着大胆的直觉,而且也靠着在难以想象的极端困难情况下工作的热忱和顽强精神,比如在大量沥青中提取微量镭元素的故事。居里夫人不仅自己拥有这种精神,而且将其传给了她的女儿和女婿。

科学精神:约里奥.居里夫妇之科学精神

  居里夫人的大女儿伊伦娜和丈夫约里奥于1935年在实验室用静电计做测量。其背景就是用α粒子轰击铝核获得人工放射性的画面——两人的眼光线(化学方程式)的交点处正是生成物磷的放射性同位素放出正电子的描绘。

  约里奥·居里夫妇于1934年2月10日在英国著名科学杂志《自然》上发表了一篇科学论文,公布了20世纪最重要发现之一的“人工放射性”的存在——这对发现者于1935年底在斯德哥尔摩接受了瑞典国王授予的诺贝尔化学奖。

  除居里夫人的丈夫比埃尔•居里因交通事故过早地离开人世外,居里夫人和大女儿及女婿都因长期接触放射性实验而患上相关疾病、也较早地离开了人世,但居里家族的科学精神却与世长存、永驻人间。

 

  让画作“讲述”呈现科学方法的故事

  1929年,美国天文学家哈勃通过对已测得距离的几十个星系数据的统计分析方法,画出了一条直线图像,由此发现了星系退行运动的速率与星系距离的比值是一常数,两者间存在着线性关系(后被称为哈勃定律)。那么他究竟运用什么科学方法确定了这一关系呢?

  我们说,“科学方法”是人们在认识和改造世界中所遵循或运用的、符合科学一般原则的各种途径和手段,包括在理论和应用研究、开发推广等科学活动中采用的思路、程序、规则、技巧和模式等。而为了确认其估算性发现,哈勃需要运用很多这样的科学方法。他用威尔逊山天文台100英寸口径望远镜所拍的图像与之前拍摄的仙女座星系的感光底片进行对比。从当时哈勃留下的的图片和手迹我们可以清楚地看见他在发现原先认为的新星实际上是一颗变星时的激动之情——他用“变星!”做了记号。

哈勃的科学方法

  哈勃烟斗冒出的、不断退行的“烟圈星系”——反映了他的烟斗几乎与其红移-距离关系定理一样出名,许多关于他的照片都有这两个“共因式”。因此这幅画中也出现了它们,只不过“哈勃定理”出现在了他的烟斗柄上——以表达其灵感说不定来自他头脑思维的腾云驾雾;哈勃烟斗的末端圆柱形用“哈勃太空望远镜”的替代确实既形似又具象征意义。最重要的是,所冒出的烟圈一个个成为了逐渐远去的星系——以表现其定理助推了宇宙膨胀理论的诞生

  由此可见,哈勃既是一位严苛的观察者,也是一个想象力充沛的人。他把沙普利开创的距离测量方法发展成了一种精细的艺术——从1924年开始测定星系的距离,到1929年他宣布星系多普勒效应的红移往往随距离的增加而增加。红移-距离关系表明,距离越远的星系正以越快的速度远离我们。可以说,哈勃定理的运动本性催生了现代宇宙学,而他所运用的科学方法为当今“膨胀宇宙”模型的建立树起了第一批“脚手架”。

  让画作“讲述”凸现科学实验的故事

  在微观世界里,基本粒子有三种基本的对称方式,其中之一就是空间反射对称,即同一种粒子之间互为镜像,它们的运动规律是相同的,叫做“宇称”。也就是说,如果把“左”换成“右”或相反,变换后的物理过程仍遵循同样的物理定律。“宇称守恒”是当时公认的一条重要物理定律,它的基础“左右对称”一向被认为是物理学天经地义的公理。

  1956年6月,华裔美籍物理学家李政道和杨振宁共同撰写了《弱相互作用中的宇称守恒质疑》,这篇论文如同重磅炸弹,打破了世界物理学界的平衡——在深入细致地研究了各种因素之后,李、杨大胆地断言:当时所谓的“θ-τ”之谜中的τ和θ是完全相同的粒子,但在弱相互作用的环境下,它们的运动规律却不一定完全相同。通俗地说,这两个相同的粒子如果照镜子的话,它们的衰变方式在镜子里外居然不一致!

科学实验:“宇称不守恒”的证明

  此画形象而概要地“讲述”了“弱相互作用下宇称不守恒”的科学实验故事——画中借助杨振宁与李政道显然不对称的形象及其象征着“宇称不守恒”的计数器指针镜像不对称,证明了吴健雄实验设计的高妙。结果杨振宁和李政道获得了1957年诺贝尔物理学奖,而作为老大姐的吴健雄则默默地甘当了他们的人梯。

  在最初,“θ-τ”之谜只是被作为一个特殊例外,人们还是不愿意放弃整体微观粒子世界的宇称守恒。此后不久,同为华裔美籍的女实验物理学家吴健雄设计了一个巧妙的实验,用两套实验装置观测钴60的衰变,她在极低温(0.01K)下用强磁场把一套装置中的钴核自旋转向左旋,把另一套装置中的钴核自旋转向右旋,两钴60互为镜像。结果表明,这两套装置中的钴60放射出来的电子数差异很大,而且电子放射的方向也不能互相对称——结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。

  吴健雄是一位1912年出生的、祖籍为中国苏州太仓的核物理学家,被誉为“东方居里夫人”。她的实验就是为了实现预定的科学目的,在人工控制条件下,通过干预和控制研究对象而观察和探索其有关规律和机制的一种研究方式,并由此获得知识、检验知识是否正确。20世纪50年代正值事业高峰的吴健雄形象成熟、稳重而柔美,而她证明“宇称不守恒”的科学实验也和她的人一样,漂亮而著名。

  让画作“讲述”反映科学发现的故事

  反映做出重大科学发现的美术作品有不少,比如单就描绘牛顿发现万有引力故事的画作作者就看到过不下5、6种。可真正在人物形象、心理反应、环境氛围和发现时刻的刻画上完美的作品似乎不太多,况且有些人物形象颇有差异。作者绘制的这个故事画面——其中苹果在空气中“嗖嗖”坠落的痕迹形象地变成了竖形的“万有引力定律”数学图景。

  近400年前,英国伍尔斯索普村。一个怡人的秋夜,牛顿坐在家乡的苹果树下,时而遥望月亮,时而低头沉思。忽然,一颗苹果落到地上——所有的东西一旦失去支撑,必然会坠落;那么,月亮呢?它也没有支撑,为何不下落?刹那间,牛顿“看见”了答案:使月球保持在轨道上运行的力和将苹果拉向地面的力是同一种力……

科学发现:牛顿发现“万有引力”之时刻

 牛顿怎么“看”苹果并不重要,他把苹果和月亮联想在一起,而且找出其关系,发现了万有引力定律(两个物体间的引力与二者质量的乘积成正比,而与其之间的距离平方成反比),这才是最要紧的。

  熟透的苹果下落,在任何人眼里都习以为常,而在他牛顿的脑袋中却不一样。科学发现就是这样,它是一切科学活动的直接目标,是对未知事物或规律的揭示,主要包括了事实的发现和理论的提出——这两类发现既是互相联系、又是互相促进的——牛顿对万有引力的发现画面就反映了这种情况。它也成为了人类第一次科学革命的主要标志之一。

  让画作“讲述”呈现科学人文的故事

  科学与人文虽有不同的内涵,但却具有必然的内在联系——科学是探索事物的规律,是求真,人文是把握科学的方向,是求善。科学不能解决前进方向和价值观等问题,人文不能直接解决科研中的具体问题。而科学与人文的结合便能产生奇妙的效应,从而更大地推动社会文明发展和科学技术进步。

  可以说,爱因斯坦是将科学与人文结合并开出灿烂科学之花、结出丰硕科学之果的典型代表。他一辈子酷爱音乐,尤其喜爱拉小提琴,最喜爱巴赫、莫扎特、还有一些早期意大利和英国作曲家的作品。他甚至说过:“没有早期的音乐教育,干什么事我都会一事无成。”对他的研究表明,美妙而律动的音乐旋律和其他一些人文底蕴确实曾给他带来过无限的遐想,促使许多分立的物理概念在其大脑中有机连通,进而导致了20世纪初的物理学变革。

科学人文:爱因斯坦奏出“引力场方程”

  爱因斯坦自认为他的小提琴演奏水平超过了物理学研究——这幅作品呈现的就是他奏出的音符变成了引力场方程(在太阳强大的引力场附近弯曲而行)——广义相对论是爱因斯坦物理学登峰造极的“艺术杰作”,展示了科学与人文交汇所产生的巨大能量。它让我们感到:他是一位科学家,更是一位科学的艺术家。

  爱因斯坦为1879年出生的德裔美籍理论物理学家,现代物理学的开创者和奠基人之一。由于“光电效应”的发现获得了1921年诺贝尔物理学奖。他的形象以及他由狭义相对论推出的质能相当方程式已成为了世界科学领域中的图腾。

  虽然没有什么爱因斯坦与足球方面的趣闻轶事,但他热爱运动的天性还是有二三事能证明的:如他骑着自行车在朋友家院子里转悠,还非常喜欢驾驶帆船航海,并经常与居里夫人家庭等远足郊游等。下面这幅假想的由“爱因斯坦踢足球”引出的、科普狭义相对论“尺缩效应”的画面说明了一个观点:任何物体在达到或接近光速运行时,在其运动方向上的尺度都要缩短。

科学人文:爱因斯坦踢出相对论效应足球

  爱因斯坦踢出“尺缩效应”的足球漫画,生动形象地科普了奇异难懂的狭义相对论中的一个效应——不信你将一个常规的足球直径带入画中方程中l0 ,再把v(球速)换成你“踢”出的足球高速,所得到的足球形状必定与画中爱因斯坦踢出的球一样——是一个椭圆形的。在这里,我们甚至可以将爱因斯坦关于“科学与宗教”关系的话改造一下,并这样说出来:没有人文精神引导的科学研究是瞎子,而没有科学规律支撑的人文观念是跛子。

  最后,让我们再来欣赏一下由作者新近创作的两幅“讲述”中国著名科学家科学故事的画作:

屠呦呦的科学故事

  此画是作者得知屠呦呦因发现“青蒿素”用于疟疾治疗、挽救了全球数百万人的生命而荣获诺奖后创作的。它反映了屠呦呦一生的科学实验和研究过程可以浓缩为一个连续而简洁的图景:从中国东晋古籍药典葛洪《肘后备急方》的挖掘,到低沸点乙醚加热提取青蒿素有效成分;从确定青蒿素的分子式结构到她自己科学专著《青蒿及青蒿类药物》的总结性出版——通过其连续递进的科研形象呈现,可以描绘她之所以能成为新中国本土第一位诺贝尔自然科学奖获得者的专注的心路历程。屠呦呦的科学故事给中国本土科学家树立了一个榜样,就是只要坚持自己的科学信念和研究特色、就有可能站上世界科学的光辉顶点。

袁隆平的科学故事

  这幅画作描绘的是中国“杂交水稻之父”袁隆平在蓝天白云绿野的背景下进行水稻杂交育种实验的图景。别看他外表像个植根于田野中的农民,但他却和“洋”事有着剪不断的联系——爱好小提琴演奏, 2006年4月当选为美国科学院外籍院士,2011年荣获马哈蒂尔科学奖……最近爆出最新的科学成就是培育品种的稻产量破世界纪录。袁隆平的实践与成就说明了科学是为人类自身服务的,并可为世界和平做出贡献。由于他平日里喜欢拉小提琴、弹电子琴、打排球和游泳文体活动,因此可以说他的成就取得功夫有赖于他的人文精神——画中作者描绘出他头脑迸发出的五线谱旋律波浪起伏,致使颗颗稻粒越来越多、越来越大,最终化为了粒粒洁白的稻米,它们的结合共同谱出了人类安康生活的福音……

  简而言之,通过艺术上的想象和创作,再加上广博的科学知识支持,我们就可以将科学故事与绘画艺术两者有机地统一在一起,让这样科学与艺术交融的画作既有审美的功能、又具科学普及或传播的作用——何乐而不为呢?

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