物理学史论文

物理与艺术

摘要：物理与艺术都是人类理解自然的方式，这两种方式貌离神合，但以一个共同的基本点紧密联系，就是真理的普遍性和人类揭示真理的创造力。凡是前卫的艺术创作，凡是革命性的物理研究，都会探究到宇宙间万事万物的本质，都追求对世界进行精确而细致的观察，并给予创新性的描述。本文主要例举牛顿与达·芬奇两人在生平、思想、性格、成就上的异同与我自己的一些感悟。

关键字:牛顿；达·芬奇；物理；艺术；感悟

一、物理与艺术

李政道教授曾说“事实上如一个硬币的两面，科学与艺术源于人类活动高尚的部分，都追求着深刻性、普遍性、永恒和富有意义。”传统上来说，艺术创造幻象以表达情感，使用的语言是图形和比喻；物理学是一门严格意义上表达自然的实证科学，根植于清晰的数学关系，应用数字和方程表达自然规律。艺术家以艺术作品表达审美情感；科学家以自然定律描绘客观规律，都有一个共同的愿望，就是将对世界本体认识的不同侧面，各种现象贯穿在一起，经过分析、综合和思考，从而完成对事物本质的认识。因此,艺术和物理学都是构造模型的活动，它们是人类感悟、认知自然的两种相异又相关的手段。

二、达·芬奇与牛顿

达·芬奇是西方古典主义绘画的代名词，他的画作充分显示出对大自然敏锐的观察力，对人物内在细微情感的刻画，以及表现光与影的种种变化，将绘画的写实主义推向了不可企及的高峰。牛顿是经典物理学的最高峰，被评价为“天才中的天才”。达·芬奇和牛顿，一个是15世纪最杰出的人物，一个是17世纪的天才;一个是最伟大的艺术家，一个是最伟大的科学家，我们可以比较一下两人在生平、思想、性格、信念和成就上的异同。

两人都成长在单亲家庭中。牛顿的父亲是个不识字的农夫，在儿子出生前几个月死去。母亲不久后再婚，将年幼的牛顿送到外祖母那里抚养。小小孩子不得不同继父争夺母爱。他得益于舅舅的支持而来到剑桥大学读书。达·芬奇则是私生子，母亲是大字不识的农家女。他也同牛顿一样，由母亲或其祖父抚养。牛顿和达·芬奇在童年时代都没有什么朋友，且都养成了高度敏感和喜好冥想的性格。他们都孤独并愿意孤独，都把书本看得比友情重要。

牛顿和达·芬奇都有丰富的想象力，从而为他们带来了一个接一个的科学发现和艺术创造、工程奇迹，以及在实践中影响深远的发明和大大小小的机关装置。牛顿发明了反射望远镜，达·芬奇则设计了直升飞机；牛顿发现了二项式定理和微积分，达·芬奇造出了降落伞，又提出了潜水艇和坦克的构想；牛顿为打击伪币绞尽脑汁，达·芬奇为保卫米兰鞠躬尽痒；牛顿用方程和数字总结自然规律，达·芬奇则以绘画解读世界和人类情感的奥秘。但有所不同的是，牛顿是一个科学天才，在其他方面则全无是处。对音乐是充耳不闻，认为绘画是雕虫小技，视雕塑为金石玩偶，说诗章是“优美的胡扯”。达·芬奇则是文艺复兴时期的全才，几乎涉及了他那个时代艺术与科学的所有领域。

牛顿和达·芬奇都相信数学是人类思维的最髙形式。达·芬奇本人数学优异,并且这样说过：“谁也不能断言说，有什么东西既不会用到任何数学，也不会用到任何建立在数学基础上的知识。”牛顿是物理学家，也是一位伟大的数学家，他和莱布尼兹争夺微积分的发明权，至今仍是科学史专家津津乐道的话题。他在《自然哲学的数学原理》的引言中写道：“我将自己的这一工作题名为‘数学原理’，是因为我认为哲学的所有重担都落在数学肩上……”

两位都是研究光的先驱者，而且都对光的本性提出了开创性的睿见。达·芬奇提出视网膜成像应是倒立的，他也是针孔相机的发明人，这是发明史上的普遍看法。他曾研究过种种光学错觉，而且给出的解释今天还在被引用。他画了一张记录光强度仪器的设计图，过300年后，图纸才变成实物。达·芬奇对阴影也极有兴趣，并搞出了本影和半影的几何学细节，

今天的天文学家仍在沿用他的有关结果。对于眼镜，达·芬奇也很有研究，在15世纪就提出了隐形眼镜的设想。他还探讨过孔雀毛羽上的华彩及水上油膜虹彩的成因。在历史记载上，达·芬奇是推想光以波的形式在空间和时间中传播的第一人。他以水波和声波为出发点进行类推，认为“石块投进水中，就会以自己为中心，形成一个个圆圈；声音在空气中以圆形波传播。同样的，位于空气中的任何物体也会形成一个个圆，并使周围的空间充满无数自己的类似体，如是进行下去，进入各个地方。”

牛顿在1704年发表了《光学》，比《原理》迟30多年，这是一部关于光的权威性论著。对于光牛顿也同对待其他事物一样，感兴趣的是其本性而不是其效果。他让阳光射入一间暗室，令其射过一系列棱镜，得到了七色彩虹，并解释了白光为什么会因折射而分成不间的色光。达·芬奇在牛顿之前，也被研究过棱镜产生的彩色光带的现象。达·芬奇的结果体现在简单而明白的素描上，牛顿的结果则体现在通过反复钻研最终得出的，具有精确数学内容的结论上。从此，艺术家和物理学家在科学和艺术这两个领域内不仅要探索光的本性，还要关注色的奥秘。

牛顿和达·芬奇都对自然界的“运动”现象感兴趣。牛顿运动三大定律奠定了经典力学的基础，决定宏观世界的运动法则，从航天飞机的宇宙航行到人们的日常起居。自然现象缤纷多彩，自然规律简洁、普适，这就是物理学所具有的，深邃而含蓄的内在美。在历史上，伽利略首先指出，如果一个物体能够没有摩擦地在一个水平面上滑动的话，它将能保持自己的运动速度不变牛顿接受并发展了伽利略的见解，第一次用概括性的语言把惯性定律表达了出来。任何物体都要保持其静止或匀速直线运动状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。

达·芬奇也曾努力去理解“运动与惯性”、“作用与反作”这些关键性的力学概念，而且离科学意义上的成功仅有一步之遥。他有这样的话:“所有运动都倾向于保持下去，或者不如这样说:所有被弄得运动起来的物体，只要驱动它们进入运动状态的作用的影响依然存在，运动就会继续下去。”在达·芬奇I486年关于鸟飞行的笔记中，我们可以看到其中一段的第一句话:“身体对空气施加的巨大压力就像空气对身体施加的压力一样。”这

真是令人惊奇，这一论断比牛顿第三定律早了将近200年。当然，达·芬奇没有将这一概念应用于更广泛的场合，而且也没有建立起相应的数学公式来支持它，而牛顿却出色地完成了这些工作。达·芬奇对包括人在内的动物肌肉运动也进行了精细的研究，从而诞生了处于运动状态的人与动物解剖学。他在技术方面的发明草图，如飞机、坦克、机枪、降落伞、升降机等，至今令工程设计人员叹为观止。

牛顿和达·芬奇还有一个共同点，就是各自都具有和自己同时代的，旗鼓相当的竞争对手。牛顿必须和莱布尼兹争夺微积分的发明权，和胡克争夺万有引力的发明权。为此，牛顿搞中伤，耍诡计，一直折腾到英国皇家学会正式承认他的发现为止。达·芬奇和米开朗琪罗有两次正面交锋、竞争的机会,但均没有结果。与牛顿不同的是，在达·芬奇留下的大量手稿的著作中，即使在米开朗琪罗当街羞辱他之后，也没有发现贬低或攻击米开朗琪罗本人的文字，这点不得不让我们佩服。

三、感悟

如同牛顿和达·芬奇这样的例子还有许多，科学家与艺术家都在以他们自己的方式去理解并表现我们的世界，科学家是表现宇宙真实存在的艺术家，艺术家是表现情感世界真实存在的科学家。作为揭示宇宙和情感世界奥妙的探索者和创造者，科学家和艺术家的超然洞察力使得他们能够预知前人尚未认识的新世界，他们追寻的终极目标都指向了真善美的最高境域。

参考文献：

1.郭奕玲.沈慧君.物理学史.北京：清华大学出版社，1993

2.施大宁.文化物理.北京：高等教育出版社，2011.7