圖1 修拉《馬戲團》。

女演員的舞姿，是否會讓你產(chǎn)生“失重的感覺”？

文 | 林鳳生（上海大學《自然雜志》編審)

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創(chuàng)造力就是所謂浪費時間的殘留物。

——愛因斯坦

2016年2月11日，LIGO（激光干涉引力波觀測站）科學家宣布接收到了100年前由愛因斯坦預言的引力波，證實了引力波的存在，引起了科學界的關(guān)注及萬眾熱議。那么，什么是引力？什么又是引力波呢？

牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力

這是一個流傳甚廣但迄今無從考證其真實性的故事：1665年的一天，大科學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從樹上掉下來，而懸掛在空中的月亮為什么不會掉下來呢？他又想，月亮繞地球做圓周運動，需要一個向心力；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。原來月亮做圓周運動的向心力是地球給的。此時，牛頓的思路產(chǎn)生了一個飛躍：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)家對重力并不陌生，建筑師和雕塑家對重力也有切身感受。而畫家在創(chuàng)作的時候卻喜歡逆向思維：如果物體在不受重力的空間里，情況會怎樣？富有創(chuàng)意的法國畫家馬奈，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是法國印象派畫家修拉的《馬戲團》，女演員輕盈的肢體動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”。

萬有引力定律在計算實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，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，科學家提出了一種“以太”說，認為空間里充滿了這種無色無味而富有彈性的物質(zhì)?？墒钱斠粋€精密實驗證明了太空里并不存在以太的時候，牛頓力學面臨的困難就更大了。

愛因斯坦預言引力波

20世紀初，偉大的物理學家愛因斯坦提出了相對論，從根本上顛覆了牛頓的時空觀。他說：“牛頓?。≌堅徫?，你發(fā)現(xiàn)了你那個時代所能發(fā)現(xiàn)的唯一的路??但是我們知道，如果想達到更深刻的理解，這些概念需被遠非人類能體驗的其他內(nèi)容所替代。”

圖2 量子漣漪示意圖

在牛頓力學里，時間如流水，空間像框架。而在相對論里，時間和空間是物體的屬性：當空中放置了一個重物，它周圍的空間就會變得彎曲，時間過程也會發(fā)生變化。而彎曲的時空又會影響到其中物體的運動，改變物體的運動方向。圖2所示的是一個相對論的空間模擬圖：在一大片無限擴展的彈性網(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小球，那么小球就會因為網(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（即萬有引力）就是由空間變形產(chǎn)生的。當然，小球為了不掉到大球上，只有在變形的網(wǎng)格空間里做圓周運動才行。

愛因斯坦的這些奇思妙想都是在大腦里進行的，這在物理學里稱為理想實驗。但是，它也是可以通過實驗來驗證的。

1919年，由愛丁頓帶領(lǐng)的英國科學考察隊來到了非洲西海岸外的普林西比島，按推算，在這個島上某地某天能看到日全食。由于月球經(jīng)過太陽的表面時，太陽的光芒被完全遮住，島上的天空變得黑暗，即使中午也可以看到恒星，此時，恰好從太陽邊緣經(jīng)過的恒星光束在穿過太陽周圍彎曲的空間時必定會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。倘若愛因斯坦的理論是正確的，那么在這個黑暗的白天，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)果與愛因斯坦的預言完全一致。后來有學生問愛因斯坦，如果實驗結(jié)果不能證明他的理論，他會怎么想？愛因斯坦回答：“我會為上帝感到遺憾——這個理論是正確的！”可見他對此信心滿滿。

英國科學考察隊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。一時間，愛因斯坦人氣爆棚！許多國家紛紛邀請他去講學。

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子認出，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繪畫，對此留下了愉快的印象。

愛因斯坦的相對論還解釋了水星近日點的運動等難題，就是預言的引力波還沒有被探測到。那么，什么是引力波呢？看！圖中的小球圍繞大球轉(zhuǎn)動的時候，位置在不斷地改變，引起空間網(wǎng)格產(chǎn)生類似彈性震動的運動，從而發(fā)出了引力波（也稱為量子漣漪）。因為引力波相當弱，所以100年來沒有被探測到，最近探測到引力波，從而使愛因斯坦的相對論畫上一個圓滿的句號。

相對論的成功也給20世紀初正在孜孜探索新畫法的藝術(shù)家開啟了一扇窗。筆者認為，相對論難懂，難點是在數(shù)學推導和運算，但要定性地了解“時空彎曲”“尺短鐘慢”等物理內(nèi)容，對于想象力豐富的藝術(shù)家來說并不難。對科學饒有興趣的畫家達利和埃舍爾等，就曾從相對論的理論模型中擷取形象元素進行創(chuàng)作，盡管他們本人對相對論的科學內(nèi)涵一竅不通。

圖3是喜歡標新立異的畫家達利的作品《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，整個畫面展示的空間是從高空一直到地平線，其場景超過了照相機廣角鏡頭的拍攝范圍，是不是隱喻了對空間彎曲的表達？

圖3 達利《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界非常有影響力的版畫藝術(shù)家，他的版畫被科學家賦予了各種意義。作品《畫廊》（圖4）非常巧妙地展示了一個彎曲的時空中的建筑群。為了實現(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)學家看了草圖感到非常驚訝，認為這與黎曼幾何學有異曲同工之妙！

圖4 荷蘭畫家埃舍爾《畫廊》

畢加索和愛因斯坦

20世紀初，就在愛因斯坦研究相對論的時候，畫家畢加索也在嘗試構(gòu)造空間新概念。當他展示出自己的新作品時，大家為之震驚：畫面看起來就像是一個小立方體堆，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》，繪畫時畢加索讓卡恩維勒耐心地擺好姿勢，他一連幾小時聚精會神地分析體型。畫面好像是由許多小平面堆砌起來，每分出一個平面，就導致鄰近平面的出現(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)實踐對繪畫藝術(shù)影響很大，許多人認為可以與科學領(lǐng)域內(nèi)愛因斯坦對時空的變革相媲美。因為在立體派繪畫里，充實的、全面的、在空間有確定位置、在時間有確定范圍的繪畫，幾乎垮塌了。

對于畢加索的繪畫創(chuàng)新是否與20世紀的科學發(fā)展有著某種直接（包括借鑒、參考）聯(lián)系，討論的文章很多。筆者贊同美國學者史萊茵的“平行論”的說法：“盡管各種知識科學都能做出預言，但藝術(shù)有一種特殊的先見之明，其預見性要超過物理學家的公式。科學上存在這樣的情況，即科學發(fā)現(xiàn)之后，人們發(fā)覺它對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，他為自己無言以對而感到不安。此后他花了10年工夫，努力學習繪畫藝術(shù)和物理學，完成了一本厚達500頁的跨學科著作《藝術(shù)與物理學：時空和光的藝術(shù)觀與物理觀》，本文的有些觀點參考了書中的內(nèi)容。

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