时空的观念：艺术学与物理学

林凤生

2016-06-26

图1 修拉《马戏团》。女演员的舞姿，是否会让你产生“失重的感觉”？

文 | 林凤生（上海大学《自然杂志》编审）

创造力就是所谓浪费时间的残留物。——爱因斯坦

2016年2月11日，LIGO（激光干涉引力波观测站）科学家宣布接收到了100年前由爱因斯坦预言的引力波，证实了引力波的存在，引起了科学界的关注及万众热议。那么，什么是引力？什么又是引力波呢？

牛顿发现万有引力

这是一个流传甚广但迄今无从考证其真实性的故事：1665年的一天，大科学家牛顿在花园里散步，看到苹果从树上落下。

他想，苹果受到地球的吸引会从树上掉下来，而悬挂在空中的月亮为什么不会掉下来呢？他又想，月亮绕地球做圆周运动，需要一个向心力；如果地球对月亮的吸引力能够穿越浩瀚的太空作用于月亮，那么这个力的大小应该与距离的平方成反比。算了一下，向心力与吸引力两者相等。原来月亮做圆周运动的向心力是地球给的。此时，牛顿的思路产生了一个飞跃：宇宙里的任何物体大到星球小至尘埃，相互之间都存在吸引力，故称万有引力！

随着牛顿故事的家喻户晓，地球上存在重力也广为人知。艺术家对重力并不陌生，建筑师和雕塑家对重力也有切身感受。而画家在创作的时候却喜欢逆向思维：如果物体在不受重力的空间里，情况会怎样？富有创意的法国画家马奈，其许多绘画作品中，画中的人物好像悬浮在空中，上不接天下不着地，这在以前的西方绘画中很少见。

图1是法国印象派画家修拉的《马戏团》，女演员轻盈的肢体动作是在重力空间里无法完成的，让观众产生一种“失重的感觉”。

万有引力定律在计算实际问题上取得了成功，但是在理论问题上却面临困难：地球和月亮相距如此遥远，互相之间的吸引力到底是瞬间产生的，还是通过介质传递的？

为了能够自圆其说，科学家提出了一种“以太”说，认为空间里充满了这种无色无味而富有弹性的物质。可是当一个精密实验证明了太空里并不存在以太的时候，牛顿力学面临的困难就更大了。

爱因斯坦预言引力波

20世纪初，伟大的物理学家爱因斯坦提出了相对论，从根本上颠覆了牛顿的时空观。他说：“牛顿啊！请原谅我，你发现了你那个时代所能发现的唯一的路⋯⋯但是我们知道，如果想达到更深刻的理解，这些概念需被远非人类能体验的其他内容所替代。”

图2 量子涟漪示意图

在牛顿力学里，时间如流水，空间像框架。而在相对论里，时间和空间是物体的属性：当空中放置了一个重物，它周围的空间就会变得弯曲，时间过程也会发生变化。

而弯曲的时空又会影响到其中物体的运动，改变物体的运动方向。图2所示的是一个相对论的空间模拟图：在一大片无限扩展的弹性网格上，大球的重量使网格下陷，如果在附近的空间里还存在另一个小球，那么小球就会因为网格空间的变形，朝大球滚过去，两球之间出现的相互吸引力（即万有引力）就是由空间变形产生的。当然，小球为了不掉到大球上，只有在变形的网格空间里做圆周运动才行。

爱因斯坦的这些奇思妙想都是在大脑里进行的，这在物理学里称为理想实验。但是，它也是可以通过实验来验证的。1919年，由爱丁顿带领的英国科学考察队来到了非洲西海岸外的普林西比岛，按推算，在这个岛上某地某天能看到日全食。由于月球经过太阳的表面时，太阳的光芒被完全遮住，岛上的天空变得黑暗，即使中午也可以看到恒星，此时，恰好从太阳边缘经过的恒星光束在穿过太阳周围弯曲的空间时必定会发生偏转。

倘若爱因斯坦的理论是正确的，那么在这个黑暗的白天，这些恒星出现在天空的位置，就应该与其后在夜间出现在天空中的位置不一样。最终，日全食的观察结果与爱因斯坦的预言完全一致。后来有学生问爱因斯坦，如果实验结果不能证明他的理论，他会怎么想？爱因斯坦回答：“我会为上帝感到遗憾——这个理论是正确的！”可见他对此信心满满。

英国科学考察队的观察证明了爱因斯坦的理论，这在世界范围内引起轰动。一时间，爱因斯坦人气爆棚！许多国家纷纷邀请他去讲学。1922年，爱因斯坦在去日本的途中顺道访问了上海，在南京路被一群青年学子认出，大家兴奋地把他抬了起来。那天，他还去豫园听了昆曲，晚上参加了画家王一亭的家宴并欣赏了中国绘画，对此留下了愉快的印象。

爱因斯坦的相对论还解释了水星近日点的运动等难题，就是预言的引力波还没有被探测到。那么，什么是引力波呢？看！图中的小球围绕大球转动的时候，位置在不断地改变，引起空间网格产生类似弹性震动的运动，从而发出了引力波（也称为量子涟漪）。因为引力波相当弱，所以100年来没有被探测到，最近探测到引力波，从而使爱因斯坦的相对论画上一个圆满的句号。

相对论的成功也给20世纪初正在孜孜探索新画法的艺术家开启了一扇窗。笔者认为，相对论难懂，难点是在数学推导和运算，但要定性地了解“时空弯曲”“尺短钟慢”等物理内容，对于想象力丰富的艺术家来说并不难。对科学饶有兴趣的画家达利和埃舍尔等，就曾从相对论的理论模型中撷取形象元素进行创作，尽管他们本人对相对论的科学内涵一窍不通。

图3是喜欢标新立异的画家达利的作品《圣·乔凡尼·德拉·克罗齐的基督》，画中，悬浮在空中的基督俯瞰着西班牙利加特港湾，整个画面展示的空间是从高空一直到地平线，其场景超过了照相机广角镜头的拍摄范围，是不是隐喻了对空间弯曲的表达？

图3 达利《圣·乔凡尼·德拉·克罗齐的基督》

荷兰画家埃舍尔是一位在科学界非常有影响力的版画艺术家，他的版画被科学家赋予了各种意义。作品《画廊》（图4）非常巧妙地展示了一个弯曲的时空中的建筑群。为了实现画面的变形，他还画了由弯曲格子构成的网格线，后来有数学家看了草图感到非常惊讶，认为这与黎曼几何学有异曲同工之妙！

图4 荷兰画家埃舍尔《画廊》

毕加索和爱因斯坦

20世纪初，就在爱因斯坦研究相对论的时候，画家毕加索也在尝试构造空间新概念。当他展示出自己的新作品时，大家为之震惊：画面看起来就像是一个小立方体堆，故称为“立体派”。

图5 毕加索《卡恩维勒肖像》

图5是其代表作《卡恩维勒肖像》，绘画时毕加索让卡恩维勒耐心地摆好姿势，他一连几小时聚精会神地分析体型。画面好像是由许多小平面堆砌起来，每分出一个平面，就导致邻近平面的出现，如此不断后移，不断地产生视觉感受，就像水面上荡漾起层层涟漪⋯⋯

毕加索的艺术实践对绘画艺术影响很大，许多人认为可以与科学领域内爱因斯坦对时空的变革相媲美。因为在立体派绘画里，充实的、全面的、在空间有确定位置、在时间有确定范围的绘画，几乎垮塌了。

对于毕加索的绘画创新是否与20世纪的科学发展有着某种直接（包括借鉴、参考）联系，讨论的文章很多。

笔者赞同美国学者史莱茵的“平行论”的说法：“尽管各种知识科学都能做出预言，但艺术有一种特殊的先见之明，其预见性要超过物理学家的公式。科学上存在这样的情况，即科学发现之后，人们发觉它对物理世界的描述早已被以往的艺术家以奇妙的方式放入自己的作品。”换句话说，艺术与科学是分别在两条道上跑的车，如有雷同也是纯属偶然。

史莱茵原来是美国加利福尼亚州的一位外科医生，一次他带12岁的女儿参观画展，女儿不断提问，他为自己无言以对而感到不安。此后他花了10年工夫，努力学习绘画艺术和物理学，完成了一本厚达500页的跨学科著作《艺术与物理学：时空和光的艺术观与物理观》，本文的有些观点参考了书中的内容。

本文原载《科学画报》2016年6期，作者林凤生为上海大学教授，《自然杂志》编审，近著有《画中有话——解读名画中的科学元素》。

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