物理与艺术论文

物理与艺术

【摘要】物理与艺术，实则艺术的物理和物理的艺术的统一，它们以一个共同的基本点紧密地关联在一起，那就是真理的普遍性和人类揭示真理的创造力。它以两条主线将二者对比统一，即艺术：乔托～达·芬奇～毕加索和物理：伽利略～牛顿～爱因斯坦。在我们过去的认识中好像二者是不相干的两门学科，其实二者只是在表现形式上有所不同，艺术主要是图形和比喻，物理则表现在数字和方程上。

【关键字】物理，天体运动，光学，静电场,艺术

【引言】在艺术和物理学中同时获取有关自然（实在）的观点，会从三个维度上全面看到它的更宏大的图景，会理解它在扩展开的现在上的存在。艺术与物理学的有机结合，能使人们对自然厕身其内的世界产生更高层次上的认识和理解。【正文】

天体运动与艺术

古希腊人曾强烈地致力于自然界中和谐的研究，并认为音乐仅是自然界和谐中的一种。德国物理学家开普勒曾说：“天体的运动只不过是一首歌，一首连续的、有几个声部的歌。”在他看来，

有声的乐调固然很美，但有调无声的

仙曲则更美，因为它只对人类的灵魂

吹奏。他反复计算了有关行星近日点

和远日点的运动速度和各种比例关

系，并从研究一首古老的名为《和谐

的序曲》的乐曲中受到启发，终于得

到了（这里T为行星绕日运

动的周期，D为行星距太阳的距离）的关系，进而谱写了行星运动这首不能为听觉所感知，却可以为思维所理解的“直接用乐谱、广为使用音乐语言”的行星协奏曲（如图1所示），并通过他的行星运动第三定律表达出这首乐曲的主调。

１５４３年，哥白尼出版《天体运行论》。按史莱因的观点，日心说从根本上来说脱胎于艺术家选定观察位置（注意乔托的“透视法”涉及观者位置）。伽利略通过观察支持哥白尼的学说，进而提出惯性参考系、绝对静止概念。前有艺术中观察透视画法作品，观者需处于一个绝对静止状态，今有物理学中绝对静止点，史莱因提醒说这是艺术与物理的有趣并行。

光学与艺术

在平静无风的海面航行或在海边了望，往往会看到空中映现出远方船舶、岛屿或城廓楼台的影像；在沙漠旅行的人有时也会突然发现，在遥远的沙漠里有一片湖水，湖畔树影摇曳，令人向往。可是当大风一起，这些景象突然消逝了。原来这是一种幻景，通称海市蜃楼，或简称蜃景。为什么会产生这种现象呢？要解答这个问题，得先从光的折射谈起。当光线在同一密度的均匀介质内进行的时候，光的速度不变，它以直线的方向前进，可是当光线倾斜地由这一介质进入另一密度不同的介质时，光的速度就会发生改变，进行的方向也发生曲折，这种现象叫做折射。当你用一根直杆倾斜地插入水中时，可以看到杆在水下部分与它露在水上的部分好象折断的一般，这就是光线折射所成的，有人曾利用装置，使光线从水里投射到水和空气的交界面上，就可以看到光线在这个交界面上分两部分：一部分反射到水里，一部分折射到空气中去。如果转动水中的那面镜子，使投向交界面的光线更倾斜一些，那么光线在空气中的折射现象就会显得更厉害些。当投向交界面的光线如左下图所示的情况时，光线就全部反射到水里，再没有折射到空气中去的光线了。这样的现象叫做全反射。

空气本身并不是一个均匀的介质，在一般情况下，它的密度是随高度的增大而递减的，高度越高，密度越小。当光线穿过不同高度的空气层时，总会引起一些折射，但这种折射现象在我们日常生活中已经习惯了，所以不觉得有什么异样。

在夏季，白昼海水湿度比较低，特别是有冷水流经过的海面，水温更低，下层空气受水温更低，下层空气受水温影响，较上层空气为冷，出现下冷上暖的反常现象（正常情况是下暖上凉，平均每升高100米，气温降低0.6℃ 左右）。下层空气本来就因气压较高，密度较大，现在再加上气温又较上层为低，密度就显得特别大，因此空气层下密上稀的差别异常显著。

假使在我们的东方地平线下有一艘轮船，一般情况下是看不到它的。如果由于这时空气下密上稀的差异太大了，来自船舶的光线先由密的气层逐渐折射进入稀的气层，并在上层发生全反射，又折回到下层密的气层中来；经过这样弯曲的线路，最后投入我们的眼中，我们就能看到它的像。由于人的视觉总是感到物像是来自直线方向的，因此我们所看到的轮船映像比实物是抬高了许多，所以叫做上现蜃景。

除了海市蜃楼，美丽的彩虹也向我们展示了生动的光学艺术。原本光是笔直行进的，但它也具有一旦进入水中就会折射的性质。因此太阳光在通过雨的颗粒时就会折射。此时，由于光折射的角度因颜色而各异，所以七种颜色会以各自不

同的角度折射。所以七种颜色会很漂亮地排列起来。这就是形成彩虹的原理。因为彩虹呈现于与太阳方向相反的天空，所以想在雨后看彩虹时要背对着太阳。夏天雨后，乌云飞散，太阳从新露头，在太阳对面的天空中，会出现半圆形的彩虹。虹是由于阳光射到空中的水滴里，发生发射与折射造成的。

我们知道，当太阳光通过三棱镜的时候，前景的方向会发生偏折，而且把原来的白色光线分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色的光带。

下过雨后，有许多微小的水滴漂浮在空中，当阳光照射到小水滴上时会发生折射，分散成7种颜色的光。很多小水滴同时把阳光折射出来，再反射到我们的眼睛里，我们就会看到一条半圆形的彩虹。彩虹的色带分明，红的排在最外面，接下来是橙、黄、绿、青、蓝、紫6种颜色。

静电场与艺术

沙雕艺术中也隐藏着物理玄机，沙垒是一种游戏.用干沙或含水量多的沙都

筑不成沙垒,只有湿沙才能筑成.沙垒筑成后,一旦

干燥即崩溃;要使沙垒保持原来的形状,就得小

心浇水,使它保持一定的湿度.

是什么力量使沙垒能保持不散呢?湿沙含有

一定量的水.水一般是作为润滑剂使用的,它怎么

又能增加沙子的黏性呢? 有人认为,沙垒是由于沙

中水的表面张力而结合在一起的.水分子具有一个

永恒的电偶极,被称为极性分子.这些电偶极相互

吸引.在水与空气的表面上,相邻水分子的相互吸

引使得水面实际上处于紧张状态.相互吸引产生的合力,使水面弯曲.在沙垒表面,这个合力是有助于沙垒的稳固的.然而在没有空气界面的沙垒内部,沙出同样稳固.虽然内部的水分子通过其电偶极的电场互相吸引,但这种引力很弱,它无助于沙的稳固,不足以阻止它的流动.因此,这种解说是不能令人满意的。

那么沙子在潮湿时黏结的力究竟是怎么产生的呢?一颗湿的沙粒表面存在正负两种离子.通常这两种离子成对组合,其中一人比另一个离沙粒表面稍微远些.究竟哪个离子在外,这在沙粒表面上是处处各异的.两种取向的离子在沙粒周围的空间产生了一个电场。

负离子中,负电荷比正电荷多,其带负电的电子云朝着邻近正离子方向,稍稍偏离它的带正电的原子核.这样,形成电偶极.它在沙粒表面以外形成一个较弱的电场.而表面的正离子缺少负电荷,且它的电荷并不像负离子那样发生分离.因此,它的电场,是一个点电荷产生的电场,这个电场比电偶极所产生的电场要强.由此可见,一个沙粒周围的电场主要是由于沙粒表面的正离子产生的。