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科学与艺术
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科学与艺术
一般而言，科学，或者准确的说是自然科学，特别是自然科学之基物理学，与属于人文科学的艺术有着巨大的区别。
因笔者为理论物理专业学生，对东西方美术有一定的了解，所以本文将主要探讨物理学与艺术的相互交融，本文所指的艺术以美术作品，特别是以西方美术为主。
具体来说，科学的本质就是观察和探究我们周围的世界，试图从已知事物中确定某些潜在的秩序和模式，以客观的语言描述世界，不带任何主观的臆测。特别是物理学，作为科学的一部分，主要研究无生命的世界，而且力图确认最基本的原理和统一的规律，对人生，对喜怒哀乐毫不涉及。
而艺术，作为人文科学的一部分，艺术是人的艺术，必然与人性有着千丝万缕的联系，或者说，艺术来源于人的思想，来源于人类主观的一面，艺术的源泉是人类丰富的想象力，以艺术的独特手法表现精神世界。
一般而言，艺术创作幻象以表达情感，其语言是图形和比喻；物理学是一门严格意义上的实证科学，根植于可观测世界的清晰的数学关系，数字和方程是它通用的表达手段。
从这一层次，科学与艺术之间存在着巨大的鸿沟，两者之间似乎毫不相干，科学家不需要去关注艺术，而艺术家也不需要去学习科学定律。
但是，另一方面，科学和艺术又同属于人类文明，属于人类伟大创造力的伟大成果。下面我们来分析两个时代的艺术与物理学，我们将看到，艺术和科学有着密切的联系。
首先是文艺复兴时的科学与艺术。
真正的科学和艺术，或者说现代意义上的科学和艺术是从文艺复兴开始的。
物理学方面。真正的物理学是从伽利略开始的，伽利略被誉为自然科学之父，或者物理学之父。伽利略的伟大贡献之一是他确立了严格的、科学的物理学研究问题的方法，使物理学成为一个独立的学科。这里，特别要提到他的两个贡献，其一是在物理学中引入参考系的概念，其二是著名的伽利略相对性原理，这两个概念的重要性对任何一个熟悉经典力学的人都不会陌生，这里，我们会看到它们在艺术领域的应用。
要精确描述一个物体的运动，我们必须寻找另一个物体作为参考，就像在空中高速飞行的飞机，对坐在飞机上的人来说，飞机是静止的，但对地面上的人来说，飞机在高速飞行。这种作为参考的物体，在物理学中，被成为参考系或者参考物。同一物体的运动，选取不同的参考系，这一运动就会有不同的方程式来描述，通俗的讲，就是在不同的参考系下，同一物体的运动情况是不同的，这叫做运动的相对性。
进一步的分析，我们还能得到另外一个事实，如果我们确定一个绝对静止的参考系，不妨称其为绝对系，那么，对于对绝对系做匀速直线运动的参考系，这种参考系被称为惯性系，在描述力学过程时完全等效，就像我们坐在匀速行驶的火车中，如果我们不看火车外面且假设火车没有颠簸，那我们是无法确定火车是运动还是静止。用物理学的语言说，我们无法通过力学实验区分惯性系。
伽利略逝世那年的圣诞节，经典力学的集大成者牛顿出生，牛顿这一有史以来最伟大的科学家之一，建立起完整的经典力学体系。牛顿继承了伽利略的思想，并断言：空间和时间是绝对的，独立于一切物体之外。空间和时间是一个不变的舞台，而所有的物体都是这个不变舞台中的演员。参考系的选取是任意的，但是在所有的惯性系中，必然存在一个惯性系和绝对空间保持静止，这个惯性系便是前面提到的绝对参考系或叫绝对系，绝对系具有绝对优先的地位。
艺术方面，文艺复兴的艺术是从乔托开始的，乔托被称为西方绘画之父，他奠定了文艺复兴现实主义艺术的基础。乔托的最大贡献在于透视画法的发明。绘画是一个二维的平面艺术，但我们所生活的空间是一个三维空间，如何在二维的画布上准确的表达我们所生活的三维空间是个重要的绘画技法。乔托以前，艺术家不懂透视法，所画作品缺乏立体感及真实感，但乔托改变了这一现象。
透视法利用在画布上使用不同的比例，包括不同物体之间的不同比例与同一物体不同部分之间的不同比例，从而用自然的法则拉开了人物之间和人物与背景之间的距离，用线条的透视原则在平面画布上构起一个真实的三维空间，使我们能够在二维的画布上感受出深度这第三个维度，使绘画充满立体感与真实感。
透视法产生了景物由近至远，按比例缩小并在“没影点”消失的视觉效果。就像日常生活中，站在一个很长的马路中时，我们会看到两旁的树在远处交于一点。为达到这一效果，作画者必须找到一个基准点，一个优先的、最佳的观赏点，称之为优先点。原因很简单，仍以马路为例，如果我们不是站在马路中间，便不会看到马路两旁的树交于远方一点的景象。
从上面对物理学和艺术的叙述中，已经很容易看出物理学和艺术在思想上的相互交融。如在透视法中，优先点的选择和经典力学中绝对系在思想上可谓是如出一辙。
另外，艺术方面，乔托生于1267年，而文艺复兴艺术的集大成者、被誉为文艺复兴艺术三杰的达·芬奇、米开朗琪罗和拉斐尔生活在15至16世纪。而物理学方面，伽利略生于1564年，牛顿生于伽利略逝世那年，即1642年的圣诞节。均以两方面的集大成者比较，二者相差了两个世纪，也就是说，艺术家早于物理学家两个世纪在他们的画布上表达了对空间的理解。和现在的科学相比，牛顿的经典力学和日常生活的联系的比较密切的，而文艺复兴发展起来的写实主义艺术又正是对真实生活的准确表达，两者在思想上的共通是必然的。特别的，艺术家早于科学家找到了我们这个世界的运行方式，并在画布上表现出来让大众去理解、去品味，使我们从视觉角度、从感觉得到享受；而物理学家，用方程式精确的描述我们这个世界，这些方程式虽然不能为大众所普遍理解，但是方程式所带来的效应使全人类收益无穷，几次科技革命便是最好的证明。在这一点上，艺术和科学追求着同样的目标。
其次是19世纪以来的近代物理学与近代艺术。
如前所述，艺术家早于物理学家找到了绝对空间的概念，在思想上，艺术领先于物理学。但物理学的发展同样会对艺术的发展起到支配作用，这集中体现在近代艺术的诞生。
文艺复兴后的西方艺术走的是写实主义的路线，或者说，越能在画布上准确地表现真实存在的，就越是一流的画家，但19世纪早期，摄像术的发明敲响了写实主义艺术的丧钟。摄像术能在瞬间以无比精确的方式定格、记录现实画面，这一点是任何写实主义画家所无法达到的，并且可以说是永远无法达到的。所以，摄像术的发明，必然迫使艺术家创造新的艺术形式，迫使艺术家从写实向写意转变，或者说，迫使艺术家从画眼睛看到的世界转变为画脑中思考的世界。这一转变的实现，随即宣告近代艺术的诞生。
19世纪中期，被誉为“近代美术之父”的马奈首开先河，引发起一场场近代艺术的革命。1900年，普朗克提出量子化思想；1905年，爱因斯坦发表狭义相对论，引发20世纪物理学的两大革命。两大领域中的众多天才们，让我们再次感受到两大领域在思想上的密切联系。
物理学方面，普朗克首先在1900年提出量子化假设，使他成为量子论之父，此后，经过大量科学家的天才工作，最终20世界20年代初步建立起系统的量子力学体系。量子力学告诉我们，我们的世界不是无限可分的，世界存在着最小的微观单元，宏观世界由最小单元组成，在微观世界，连续性不再存在，取而代之的是量子。通俗的讲，最小的微观单元，是组成我们这个宏观世界的砖块，它们是不可分的，是基本的。早期量子力学对我们熟知的光及一般的可触摸物质进行了量子化，或者说，对他们进行了分解，它们不再有连续的性质，而是由一个个基本单元组成。量子力学的进一步发展，进一步对所认为的物质运动的舞台，空间和时间进行了量子化，这时，空间和时间也不再连续，而是空间具有组成它的最小砖瓦，时间也成了一段段时间段的组合。
相对论从另一个角度重塑了我们对时空的理解。他告诉我们，时间和空间不是独立的，而是相互关联，形成所谓的时空统一体。光速不变原理告诉我们，时空不是根本的、基本的舞台，而基本的是光，光速是永恒不变的，而时空会因运动而改变。狭义相对性原理再到后来的广义相对性原理告诉我们，所有的参考系是平权的，不存在优越的绝对参考系，我们必须用同等的方式对待所有的参考系，在任一参考系中得到的结果都是正确的、真实的。
作为20世纪两大物理学基本理论的量子力学和相对论，它们的内涵是及其丰富的，带给人们的思想冲击也是空前的，但限于篇幅，本文不打算对其进行进一步的评析，但从上述简单内容，我们已经能清楚地看到它们在思想角度和近代艺术的共通之处。
艺术方面，从马奈开始，我们走过以莫奈为代表的印象派，以乔治·修拉为创始人的新印象主义，以高更、塞尚为代表的后印象派，以毕加索为代表的立体主义……。随着前卫艺术家们的脚步，我们品尝到一个个艺术盛宴，从这些艺术盛宴中，我们进一步思考和理解空间与时间的本质。
印象派是对色彩的第一次解放，印象派之前的画家，从不会在画布上过多的表现色彩，但印象派画家把色彩在绘画中作为一个重要点来表达。他们以色彩为基础，用色彩直接表达画家对世界的认识。这样，艺术中第一次将物体的色彩看的比物体本身重要。
印象派用光谱色作画，将色彩的重要性突出，而新印象派更进一步，他们进一步重视构图，按照可观而科学的原理，从每一个细节出发来组织作品。修拉以及其他新印象派的代表人物，创造了点彩画法，即用未经调和的原色绘画，避免在调色板上混合颜色。他们用细小的各原色的色点来塑造形象，用画笔的笔尖直接绘画，或者叫点画，造成一种异样的效果，如修拉的杰作《大碗岛星期日的下午》。
再之后的后印象派、野兽派、立体主义等都从不同角度对色彩在画布上的表现形式进行了探索，或者我们可以说他们是在进行艺术实验，甚至可以叫做科学实验，他们开始和物理学家一样，也用实验来证明他们思想的对错。
除了对色彩的探索，近代艺术家也在思考着空间，这突出表现在后印象派的大师塞尚和立体主义的代表人物毕加索的作品中。
我们说过，透视法是艺术史上最伟大的发明之一，在塞尚之前，艺术家们遵从着一直以来单点透视的准则，但塞尚向这一准则提出了挑战。塞尚创造了艺术中对空间的新的表现形式，即多点透视。在塞尚的画布上，我们找不到单一的透视点，而是多重视点，塞尚的画中，他将从多个视点观察到的景象表现在同一张画布上，或者说，塞尚的画，不是我们一次看到的图景，而是我们多次、从多个角度看到的景象的组合，这中画法在以毕加索的立体主义画派中得到了进一步的体现。
总体而言，从马奈开始的色彩革命，对色彩的突出重视体现着狭义相对论的光速不变原理。在艺术技法中，空间或者物体的分界可以用线条来凸显，同样可以用色彩来表达，而艺术中，对色彩和线条的不同对待方式正体现着艺术家对光和空间的理解，因为色彩直接用来表达光，而线条直接用来表达空间。将色彩放在突出地位，弱化线条的作用，自然体现着艺术家将光放在了比空间更为优越的地位，体现着光速不变原理的思想。
另一方面，新印象主义的点彩技法，以及立体主义对空间的重构，表现了艺术家不再认为我们的周围的世界，乃至空间是连续变化的，表达了他们认为空间以及物质的组成方式有点类似于搭积木，这体现着量子化思想，并且，他们早早地在画布上直观表达了迄今仍在量子力学中应用不多的空间量子化思想。
塞尚的后印象派、毕加索的立体主义，对单点透视法的抛弃，多点透视的发明，表达了我们应该从各个角度观察我们周围的世界，并且每个角度的观察都是平等的。这种思想，正是对相对论中相对性原理的形象表述，表明艺术家同样认识到，宇宙中不存在绝对优越的参考系，我们对所有事物都应平等的处理。
这一时期，在表达对世界的进一步理解方面，前卫性艺术略早于革命性的物理理论，或者与革命性的物理理论几乎同时出现，再次表明艺术家和科学家在思想上的共通。而且，这一时期的艺术创作，他们常常称之为艺术实验，艺术家和科学家一样，开始用实验来证明他们思想的正确性，但是，这个实验又与科学家的实验不同，他们是在画布上实验，用图像表达他们对世界的理解，用艺术品的效果来证明他们理解的正确与否。无论如何，这时候，艺术家开始学习科学家，用实验来正面他们的思想，两个领域在方法上开始统一。
上面我们分析了文艺复兴艺术和近代艺术，我们已经看到艺术和科学在思想上的交融，看到他们在追求着同样的目标。20世纪以来的近代艺术，再次从新的角度，追求着世界的存在形式，如未来主义追求着时间的意义，分形艺术从更深的层次探索着空间的存在形式。但限于篇幅，本文不再详细分析。总而言之，从艺术史和科学史的发展，我们可以得到一个确定的概念，艺术家和科学家在追求着同样的目标，他们在用不同的方式探索世界的根本存在形式，并用不同的方式将他们的理解表达出来。在人类文明的发展史中，他们是两条平行的轴线，一同为人类文明增添色彩。
而用1981年诺贝尔化学奖得主，日本科学家福井谦一的话，人类对未知世界固有的、淳朴的好奇心，以及真诚的探索之心，是人类伟大创造力的源泉。从这一角度，科学和艺术以一个共同的基本点紧密地关联在一起，就是真理的普遍性和人类揭示真理的创造力。从上述科学史和艺术史中，我们已经看到，凡是前卫性的艺术创作，凡是革命性的科学研究，都会探究到宇宙间万事万物的本性，都追求对世界进行精确而细致地观察和创新性地描述。
所以，从某种意义上说，科学家是表现宇宙真实存在的艺术家，而艺术家则是表现情感世界真实存在的科学家。正如著名物理学家玻姆所说：“就物理学充满真知灼见而言，它实在是艺术。”学习玻姆，这里我也杜撰一句：就艺术对客观世界的准确表达而言，它实在是科学！
最后，以自己杜撰的三句话作为本文的结束语：
科学使我们更有知识，让我们从方程式的角度、以精确的方式理解这个世界；艺术让我们更有修养，让我们从图像的角度，从内心敬畏这个世界。
科学使我们富于理性，让我们以理性的方式去思考我们这个世界的本质；艺术让我们富于感性，让我们用感觉去感受这个世界的多姿多彩。
我们需要科学，以便准确地理解我们周围的一切；我们需要艺术，以便丰富我们的生活。
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推荐阅读：《物理与艺术》，施大宁著，科学出版社。
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