圖1 修拉《馬戲團(tuán)》。

女演員的舞姿，是否會(huì)讓你產(chǎn)生“失重的感覺”？

文 | 林鳳生（上海大學(xué)《自然雜志》編審)

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創(chuàng)造力就是所謂浪費(fèi)時(shí)間的殘留物。

——愛因斯坦

2016年2月11日，LIGO（激光干涉引力波觀測(cè)站）科學(xué)家宣布接收到了100年前由愛因斯坦預(yù)言的引力波，證實(shí)了引力波的存在，引起了科學(xué)界的關(guān)注及萬(wàn)眾熱議。那么，什么是引力？什么又是引力波呢？

牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力

這是一個(gè)流傳甚廣但迄今無從考證其真實(shí)性的故事：1665年的一天，大科學(xué)家牛頓在花園里散步，看到蘋果從樹上落下。他想，蘋果受到地球的吸引會(huì)從樹上掉下來，而懸掛在空中的月亮為什么不會(huì)掉下來呢？他又想，月亮繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，需要一個(gè)向心力；如果地球?qū)υ铝恋奈δ軌虼┰胶棋奶兆饔糜谠铝?，那么這個(gè)力的大小應(yīng)該與距離的平方成反比。算了一下，向心力與吸引力兩者相等。原來月亮做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力是地球給的。此時(shí)，牛頓的思路產(chǎn)生了一個(gè)飛躍：宇宙里的任何物體大到星球小至塵埃，相互之間都存在吸引力，故稱萬(wàn)有引力！

隨著牛頓故事的家喻戶曉，地球上存在重力也廣為人知。藝術(shù)家對(duì)重力并不陌生，建筑師和雕塑家對(duì)重力也有切身感受。而畫家在創(chuàng)作的時(shí)候卻喜歡逆向思維：如果物體在不受重力的空間里，情況會(huì)怎樣？富有創(chuàng)意的法國(guó)畫家馬奈，其許多繪畫作品中，畫中的人物好像懸浮在空中，上不接天下不著地，這在以前的西方繪畫中很少見。圖1是法國(guó)印象派畫家修拉的《馬戲團(tuán)》，女演員輕盈的肢體動(dòng)作是在重力空間里無法完成的，讓觀眾產(chǎn)生一種“失重的感覺”。

萬(wàn)有引力定律在計(jì)算實(shí)際問題上取得了成功，但是在理論問題上卻面臨困難：地球和月亮相距如此遙遠(yuǎn)，互相之間的吸引力到底是瞬間產(chǎn)生的，還是通過介質(zhì)傳遞的？

為了能夠自圓其說，科學(xué)家提出了一種“以太”說，認(rèn)為空間里充滿了這種無色無味而富有彈性的物質(zhì)?？墒钱?dāng)一個(gè)精密實(shí)驗(yàn)證明了太空里并不存在以太的時(shí)候，牛頓力學(xué)面臨的困難就更大了。

愛因斯坦預(yù)言引力波

20世紀(jì)初，偉大的物理學(xué)家愛因斯坦提出了相對(duì)論，從根本上顛覆了牛頓的時(shí)空觀。他說：“牛頓啊！請(qǐng)?jiān)徫?，你發(fā)現(xiàn)了你那個(gè)時(shí)代所能發(fā)現(xiàn)的唯一的路??但是我們知道，如果想達(dá)到更深刻的理解，這些概念需被遠(yuǎn)非人類能體驗(yàn)的其他內(nèi)容所替代?！?/p>

圖2 量子漣漪示意圖

在牛頓力學(xué)里，時(shí)間如流水，空間像框架。而在相對(duì)論里，時(shí)間和空間是物體的屬性：當(dāng)空中放置了一個(gè)重物，它周圍的空間就會(huì)變得彎曲，時(shí)間過程也會(huì)發(fā)生變化。而彎曲的時(shí)空又會(huì)影響到其中物體的運(yùn)動(dòng)，改變物體的運(yùn)動(dòng)方向。圖2所示的是一個(gè)相對(duì)論的空間模擬圖：在一大片無限擴(kuò)展的彈性網(wǎng)格上，大球的重量使網(wǎng)格下陷，如果在附近的空間里還存在另一個(gè)小球，那么小球就會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)格空間的變形，朝大球滾過去，兩球之間出現(xiàn)的相互吸引力（即萬(wàn)有引力）就是由空間變形產(chǎn)生的。當(dāng)然，小球?yàn)榱瞬坏舻酱笄蛏希挥性谧冃蔚木W(wǎng)格空間里做圓周運(yùn)動(dòng)才行。

愛因斯坦的這些奇思妙想都是在大腦里進(jìn)行的，這在物理學(xué)里稱為理想實(shí)驗(yàn)。但是，它也是可以通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證的。

1919年，由愛丁頓帶領(lǐng)的英國(guó)科學(xué)考察隊(duì)來到了非洲西海岸外的普林西比島，按推算，在這個(gè)島上某地某天能看到日全食。由于月球經(jīng)過太陽(yáng)的表面時(shí)，太陽(yáng)的光芒被完全遮住，島上的天空變得黑暗，即使中午也可以看到恒星，此時(shí)，恰好從太陽(yáng)邊緣經(jīng)過的恒星光束在穿過太陽(yáng)周圍彎曲的空間時(shí)必定會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。倘若愛因斯坦的理論是正確的，那么在這個(gè)黑暗的白天，這些恒星出現(xiàn)在天空的位置，就應(yīng)該與其后在夜間出現(xiàn)在天空中的位置不一樣。最終，日全食的觀察結(jié)果與愛因斯坦的預(yù)言完全一致。后來有學(xué)生問愛因斯坦，如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能證明他的理論，他會(huì)怎么想？愛因斯坦回答：“我會(huì)為上帝感到遺憾——這個(gè)理論是正確的！”可見他對(duì)此信心滿滿。

英國(guó)科學(xué)考察隊(duì)的觀察證明了愛因斯坦的理論，這在世界范圍內(nèi)引起轟動(dòng)。一時(shí)間，愛因斯坦人氣爆棚！許多國(guó)家紛紛邀請(qǐng)他去講學(xué)。

1922年，愛因斯坦在去日本的途中順道訪問了上海，在南京路被一群青年學(xué)子認(rèn)出，大家興奮地把他抬了起來。那天，他還去豫園聽了昆曲，晚上參加了畫家王一亭的家宴并欣賞了中國(guó)繪畫，對(duì)此留下了愉快的印象。

愛因斯坦的相對(duì)論還解釋了水星近日點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)等難題，就是預(yù)言的引力波還沒有被探測(cè)到。那么，什么是引力波呢？看！圖中的小球圍繞大球轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，位置在不斷地改變，引起空間網(wǎng)格產(chǎn)生類似彈性震動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，從而發(fā)出了引力波（也稱為量子漣漪）。因?yàn)橐Σㄏ喈?dāng)弱，所以100年來沒有被探測(cè)到，最近探測(cè)到引力波，從而使愛因斯坦的相對(duì)論畫上一個(gè)圓滿的句號(hào)。

相對(duì)論的成功也給20世紀(jì)初正在孜孜探索新畫法的藝術(shù)家開啟了一扇窗。筆者認(rèn)為，相對(duì)論難懂，難點(diǎn)是在數(shù)學(xué)推導(dǎo)和運(yùn)算，但要定性地了解“時(shí)空彎曲”“尺短鐘慢”等物理內(nèi)容，對(duì)于想象力豐富的藝術(shù)家來說并不難。對(duì)科學(xué)饒有興趣的畫家達(dá)利和埃舍爾等，就曾從相對(duì)論的理論模型中擷取形象元素進(jìn)行創(chuàng)作，盡管他們本人對(duì)相對(duì)論的科學(xué)內(nèi)涵一竅不通。

圖3是喜歡標(biāo)新立異的畫家達(dá)利的作品《圣·喬凡尼·德拉·克羅齊的基督》，畫中，懸浮在空中的基督俯瞰著西班牙利加特港灣，整個(gè)畫面展示的空間是從高空一直到地平線，其場(chǎng)景超過了照相機(jī)廣角鏡頭的拍攝范圍，是不是隱喻了對(duì)空間彎曲的表達(dá)？

圖3 達(dá)利《圣·喬凡尼·德拉·克羅齊的基督》

荷蘭畫家埃舍爾是一位在科學(xué)界非常有影響力的版畫藝術(shù)家，他的版畫被科學(xué)家賦予了各種意義。作品《畫廊》（圖4）非常巧妙地展示了一個(gè)彎曲的時(shí)空中的建筑群。為了實(shí)現(xiàn)畫面的變形，他還畫了由彎曲格子構(gòu)成的網(wǎng)格線，后來有數(shù)學(xué)家看了草圖感到非常驚訝，認(rèn)為這與黎曼幾何學(xué)有異曲同工之妙！

圖4 荷蘭畫家埃舍爾《畫廊》

畢加索和愛因斯坦

20世紀(jì)初，就在愛因斯坦研究相對(duì)論的時(shí)候，畫家畢加索也在嘗試構(gòu)造空間新概念。當(dāng)他展示出自己的新作品時(shí)，大家為之震驚：畫面看起來就像是一個(gè)小立方體堆，故稱為“立體派”。

圖5 畢加索《卡恩維勒肖像》

圖5是其代表作《卡恩維勒肖像》，繪畫時(shí)畢加索讓卡恩維勒耐心地?cái)[好姿勢(shì)，他一連幾小時(shí)聚精會(huì)神地分析體型。畫面好像是由許多小平面堆砌起來，每分出一個(gè)平面，就導(dǎo)致鄰近平面的出現(xiàn)，如此不斷后移，不斷地產(chǎn)生視覺感受，就像水面上蕩漾起層層漣漪??

畢加索的藝術(shù)實(shí)踐對(duì)繪畫藝術(shù)影響很大，許多人認(rèn)為可以與科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)愛因斯坦對(duì)時(shí)空的變革相媲美。因?yàn)樵诹Ⅲw派繪畫里，充實(shí)的、全面的、在空間有確定位置、在時(shí)間有確定范圍的繪畫，幾乎垮塌了。

對(duì)于畢加索的繪畫創(chuàng)新是否與20世紀(jì)的科學(xué)發(fā)展有著某種直接（包括借鑒、參考）聯(lián)系，討論的文章很多。筆者贊同美國(guó)學(xué)者史萊茵的“平行論”的說法：“盡管各種知識(shí)科學(xué)都能做出預(yù)言，但藝術(shù)有一種特殊的先見之明，其預(yù)見性要超過物理學(xué)家的公式?？茖W(xué)上存在這樣的情況，即科學(xué)發(fā)現(xiàn)之后，人們發(fā)覺它對(duì)物理世界的描述早已被以往的藝術(shù)家以奇妙的方式放入自己的作品?！睋Q句話說，藝術(shù)與科學(xué)是分別在兩條道上跑的車，如有雷同也是純屬偶然。

史萊茵原來是美國(guó)加利福尼亞州的一位外科醫(yī)生，一次他帶12歲的女兒參觀畫展，女兒不斷提問，他為自己無言以對(duì)而感到不安。此后他花了10年工夫，努力學(xué)習(xí)繪畫藝術(shù)和物理學(xué)，完成了一本厚達(dá)500頁(yè)的跨學(xué)科著作《藝術(shù)與物理學(xué)：時(shí)空和光的藝術(shù)觀與物理觀》，本文的有些觀點(diǎn)參考了書中的內(nèi)容。

本文原載《科學(xué)畫報(bào)》2016年6期，作者林鳳生為上海大學(xué)教授，《自然雜志》編審，近著有《畫中有話——解讀名畫中的科學(xué)元素》。