画家里的科学迷｜艺海拾真

　　不仅许多科学家喜欢文学、艺术，画家中也有许多科学迷，他们对科学怀着敬畏之心，孜孜以求科学新知，从科学的通俗解读和示意图中获得了启发和灵感。在本文中笔者介绍几位画家里的科学迷，以及他们取得的卓尔不凡的成绩。

　　撰文

　　林凤生 （ 上海大学教授 ， 《自然杂志》退休编审 ） 一、把“科学图像”拿来

　　在自然科学的各个学科中都有一些内涵丰富的图像，它们对知识的解读不可缺货。有些图像结构匀称，本身就具备了平衡、对称等美学特点，故常常被“有心的”画家一眼相中，作为绘画创作的形像基础。荷兰画家埃舍尔就是这样一个科学谜，他常常阅读科学著作，用他自己的话来说，他主要是看看书中的图，内容是看不懂的。他根据“科学图像”创作了许多让人耳目一新的好作品，堪称科学与艺术结合的典范。依据“彭罗斯台阶”（Penrose Step）创作的《上行和下行》就是其中之一。

　　图1. 彭罗斯台阶

　　图1所示的“彭罗斯台阶”是由数学物理学家罗杰·彭罗斯设计的。彭罗斯是英国皇家学会会员，曾经与霍金一起研究宇宙天文学,取得了不少成果。空闲时间他喜欢与他父亲（一位有名的遗传学家）一起玩玩几何图形，设计出了许多不同凡响的几何图，彭罗斯台阶就是其中之一。此台阶十分奥妙：如果沿逆时针方向行走，台阶逐级升高，却没有一个最高；同样，如果沿顺时针方向走，台阶逐级下降，也没有最低。当然，这样的几何体客观上是不存在的。埃舍尔创作的名画《上行和下行》 （图2）对彭罗斯台阶作了更为精彩的诠释。他画了一栋巍峨的宫殿，台阶就围绕在建筑物顶的四周。有两队巡逻的士兵，一队登阶朝上、永远不断地走上台阶；另一队走下台阶，也永远不会到达最低，如此循环往复、永远没有一个尽头！

　　图2. 埃舍尔《上行和下行》

　　埃舍尔的再创作为几何图形增添了艺术人文元素，在写实的画面中蕴含丰富的科学内涵和神秘色彩，使画耐人寻味更有看头。

　　比利时超现实主义画家马格利特也是一位科学谜（尽管他自己不承认）。他的作品画面诡异、构思奇特，让人觉得神秘兮兮。晚年时候的他有一次对记者说：“我创作了1000多幅油画，但是只创造出来100多个神秘！”事实上，他的某些构思是从科学图像里拿来的，例如图3《女巨人》显然就是神经科学里著名的图形埃姆斯（Adelbert Ames, Jr）房间的翻版。

　　图3. 马格利特《女巨人》

　　图4是美国心理学家埃姆斯设计的一个奇怪的房间：房间不是方形的，前壁与后壁不互相平行。左边的墙壁长度是右边墙壁长度的近两倍。

　　图4. 埃姆斯房间示意图

　　让二位身高差不多的女孩分别站起在房间的左后角和右后角，如果有人从前面的视窗朝里面看，左边的女孩像一个巨人，比右边的女孩高了近二倍！这是因为房间内的一切线索都使人以为两个女孩站得离自己一样远，所以只能判断视网膜上成像大的女孩就高，成像小的女孩就矮。 （图5）

　　图5. 观众产生的视错觉

　　凭自己的一知半解“画说科学”

　　对科学的理解可以分成定性和定量两个层次，要定性地了解科学知识的内容，对想象力丰富的画家来说并不困难。有些画家通过对科学的一知半解的理解，构思出一些有科学味道的作品，从而大大开拓了他们的创作题材。

　　图6. 《人脸与奖杯》

　　读者知道，在心理学里有一种有趣的图，称为双歧图。《人脸与奖杯》 （图5） 就是其中最广为人知的一幅：当人们欣赏画的时候，有时认为画的是一个白色的奖杯，有时认为画的是二个人脸的侧面。为什么同样一张图可以引起我们两种完全不同的解释呢？道理很简单，我们看到的除了图像本身以外，还包括大脑对它的解释。如果这种解释不是唯一的话，那么我们看到的图形就要在这些不同的角色之间来回转换。

　　西班牙绘画大师达利对于这一个视觉原理，了解得烂熟于心创作了许多双歧图风格的作品，其中《贩卖奴隶市场与不明显的伏尔泰半身像》 （图7）是笔者最喜欢的画之一。此画展示了达利作品的一贯风格：光怪陆离、气势恢宏。 通过题目我们知道画的是一个奴隶交易市场，画面中央有两个穆斯林装束的人正在与两个穿着黑白衣服的人在说些什么。当我们离画远一点观看，画上断垣残壁的穹顶下沿就变成哲学家伏尔泰的头部轮廓，几个人物的细节就会逐渐模糊，融合起来变成了伏尔泰的脸部和颈部。两个穿黑白衣服人的脸部便成了伏尔泰的双眸。

　　图7. 达利《贩卖奴隶市场与不明显的伏尔泰半身像》

　　西班牙画家达利是20世纪最伟大的画家之一，他的作品以想象力丰富、画面诡谲奇异的超现实主义风格而享誉画坛。他说自己的画反映了做梦的场景。但是，有批评家认为，“这样的画面显然经过深思熟虑，很难说是梦的产物”，并批评他“用虚假的弗洛伊德话语掩饰了传统的绘画技法”。 连弗洛伊德本人在一次参观了达利画展后说：“你的画不是无意识，而是有意识。”

　　美国神经科学家苏珊娜·马蒂内兹-康德解释说，达利这幅作品之所以能感知两种可能的图像，是因为“我们的大脑感知的是一个粗糙、大致接近真实的世界（称为初级视觉信息）。由于无法处理外部每一件事物的信息，因此大脑只能对感知到的信息做简化处理，只收录最关键的现场信息，如边缘、拐角和轮廓线。对于图像模糊的地方，大脑会把原来储存的记忆和大脑预期的信息填充进去，从而形成了“完整”的图像。就像图中的伏尔泰的耳朵、颈部的细节全部都缺失了，需要观众用不同的方式去补充，这样的图很容易显得模棱两可。”

　　至于为什么我们见到的图像会在两种感知的图像之间变来变去呢？功能磁共振成像的大脑扫描显示，有两个相对独立的神经元区域分别对每一种可能感知的图像进行了编码。根据这些实验资料，英国牛津大学神经科学家安德鲁·帕克和克里斯廷·克鲁格假设，我们看到某一种图是因为与此对应的神经元区域比与另一种图对应的神经元区域更活跃的缘故，当由于某种原因，与之对抗的神经元区域活动积极程度提高并且占上了风时，观众看到的图像就会改变了。他们用猴子做过类似的实验，证实了他们的假说。

　　图8. 《妄想出来的人》

　　《妄想出来的人》是达利画的另一种形式的双歧图，画的是一所非洲小屋，房屋前面坐着一些人。倘若把画“侧过来”，并离开一定距离观看，则可以看到画的是一个人脸的侧面。 （图8）

　　1945年美国在日本投放了两颗原子弹，这件事对达利产生了很大的震动。之后他对原子弹和核物理产生了极大恐惧，也萌生了了解近代科学的愿望。在后来的日子里，他创作了许多有关原子弹爆炸、时间、空间等科学内容为主题的画作，从这些绘画里不难发现达利对这些新科学的内容了解得还真不少呢！

　　图9. 达利《天青石粒子的圣母》

　　《天青石粒子的圣母》 （图9）是达利1952年献给妻子加拉的大型油画。在这幅梦幻般的画中，爱妻加拉穿上圣玛丽的衣服，向天空飞去，她脚下那个正在分裂的原子象征着物质向精神的转化。同时加拉周围还飞舞着一些奇怪的形象，似乎是天使或幽灵。画家将他们描绘成反物质的神秘力量。（天青石是一种珍贵的蓝色石头，价格比黄金还贵，古埃及人把天青石的融化后作为蓝颜料涂抹法老面具的眼睛和胡子。与其它珍贵之物一样，天青石也被用来治疗抑郁失眠等精神疾病。所以，达利选用天青石粒子作为描述对象，本身蕴含了神秘、精神等诸多不同寻常的意义。）达利解释说：“我的《天青石粒子的圣母》是原子爆炸的反作用,不是要毁灭物质，而是要将其补充完整，在空中圣母那光荣的身体内将其重新组合。”

　　嘿！这是画家达利说的话吗？简直就像个物理学家了。看来他不仅知道1924年狄拉克提出的反物质，还了解当正、反物质在碰撞的时候，会随着一次能量的迸发而发生湮没。他还应该了解爱因斯坦的质量和能量的转换公式……而画里他那穿上圣玛丽衣服的爱妻加拉飞向天空的轨迹，看起来怎么也有点像原子弹爆炸时腾腾上升的蘑菇云。哈哈! 锐意创新的前卫艺术家达利居然从当代的科学新发现和新技术里获取图像素材和创作灵感，也许让读者有点吃惊吧！这幅画可以看成是达利用艺术手段来表达现代科学的一次尝试。而且此类尝试不只一次，还有试图表达多维空间的名画《最后的晚餐》和《原子达利》等。

　　学习科学理论指导绘画实践

　　用科学的理论来指导绘画实践的画家当首推法国画家修拉，他说过这样的话：“人们在我的作品里看到了诗意。事实上我只关心我的方法。除此之外，其他的我一点也不关心。”

　　修拉出生于巴黎一个富有而显赫的家庭，他从孩童时候开始学习绘画。幼年时，他经常和母亲一起坐在伯特休蒙公园里休憩。后来有许多作品的灵感，都来自于他那段时间的观察。与当时的许多年轻人一样，他受到了印象派绘画的影响。修拉学画时，正是各种颜色研究理论纷纷问世的时候，当时最出名的是化学家Chevreul的著作“The Law of simultaneus Contrast of Colous”。

　　他发现了色彩的同时对比规律：两种颜色并置会影响眼睛对每一种颜色的接受，导致色相与色值发生偏差。例如把浅绿色与深绿色放在一起，浅绿的变得更浅，深绿变得更深。图10是他这本书里最早出现的色彩轮。

　　图10. Chevreul著作中的色彩轮

　　印象派画家莫奈、德加等都阅读过这本书，并从中受益。对修拉产生直接影响的是美国物理学家O.N.Rood的学术论文The Theroy of Colours。文中描述了一种特殊的现象：在一定的距离外观看，放在一起的、不同颜色的小点会自动融合成另一种颜色。于是修拉巧妙的把这种理论应用到自己的绘画实践中，创造出一种独特的画法——“点彩派”。譬如要画一片绿叶，他并不是在调色板上将黄色和蓝色颜料调和后涂在画布上，而是在画布上涂了数以百计的黄色小圆点和蓝色小圆点。深绿处蓝点多一些，淡绿处黄点多一些，当观者在离画作稍远一点的地方欣赏画时，这些色点就会在视网膜上连成一片，看起来与一片绿色一般无二，并且格外和谐、明亮。

　　修拉作画非常刻苦，常常废寝忘食，年仅32岁便去世了（1891年）。我曾以为他是过劳死，后来才知道他死于白喉。去世前，他把自己的女友和孩子介绍给家里人，不久，他的儿子也死于这种病。由于他去世太早，所以只留下了为数不多的作品，图11是他的早期作品《侧坐的模特》，画中可以看到图像是由不同颜色的小点点组成的，被大家称呼为“分割主义”和“新印象派”。

　　图11. 修拉《侧坐的模特》

　　修拉的画法产生了一定的影响，后继者有西涅克等 （图12）。

　　图12. 西涅克《港口》

　　用绘画作手段探索科学

　　绘画是一种视觉艺术，观众在欣赏绘画的时候，不仅要通过眼睛观看，还要通过大脑思考，现在通过一些新技术可以检测到人类赏画时大脑的兴奋部位和状态，这无疑为我们了解人类大脑开启了一扇窗。

　　正如英国著名科普期刊 New Scientist 的发行人Jessica Griggs说：“当神经科学家试图了解大脑的视觉系统时，艺术家早就以自己的方式在实践了。”

　　图13. 赖利的作品《流体3号》

　　图13是英国著名女画家布丽奇特·赖利的作品《流体3号》。观众只要盯着画看上一会儿，一定会觉得头昏目眩，不能自持。赖利虽然不清楚观众在欣赏她的作品时，大脑里在发生什么，但她许多年来一直坚持创作具有这样视觉效果的作品，孜孜以求画面的动态，本身就是一种求真求实的科学态度。1965年她的作品展览会《眼睛的反应》让她的名字在西方家喻户晓。

　　布丽奇特·赖利等画家作品产生的神奇视觉效果引起了科学家的关注。英国伦敦大学学院教授西蒙·泽基是一位喜欢绘画艺术的著名神经科学家，他希望能够了解大脑对艺术品的感知过程。他说，如果我们能够更好地了解大脑，也许可以建立一套以生物学为基础的“美学理论”。于是，他在自己的研究中有意识地关注观者在欣赏艺术品时大脑的反应。

　　过去，人们认为视皮层在处理从视网膜传递来的信息时，会把信息图像如同放幻灯片一样映现在皮层上面。现在知道这样的看法并不全面。原来认为的视皮层，只是视皮层的一部分，称为初级视皮层（V1），围着它的还有多个区域，V2，V3，V4和V5等。每一个区域都独立处理不同的视觉信息，如V4处理色彩、V5处理运动，要把所有区域处理的信息综合起来才能够产生完整的视觉感受。

　　图14. 泽基的实验示意图

　　图14是摘自泽基一本书中的图像。图分成上下两部分：上图显示观者在观看左右两个屏幕（左屏是一幅彩色的抽象画；右屏是一幅由黑白方块组成的，正在朝一个方向运动的图案），下图是观者在分别观看这两幅图时，大脑活动的PET（正电子发射型计算机断层显像）图像。

　　观者大脑皮层活动的区域的血液循环会发生变化：当某个特殊的区域对某个信号做出回应时，该区域的神经细胞代谢速度会加快，细胞对血液中氧气的要求也会增加，从而在图像中留下色块。从PET图中看到，当观察者观看彩图的时候，大脑出现血流变化的区域只局限于V1 和V4区域。而当观察者观看运动图像的时候，大脑V1区域的血流当然也发生变化，因为V1是大脑的初级视皮层，所有的视觉信号都必须先通过这里，而另一个发现变化的区域是 V5。

　　那么，这个实验告诉我们，大脑的V4区域是负责色彩信息的，而大脑的V5区域是负责运动信息的。有趣的是，当我们用赖利的作品代替原来显示运动的右屏时，观察者大脑的血流竟然没有什么明显的变化。要知道赖利画中的线条并没有任何真实的运动啊！

　　泽基认为，赖利一定是通过反复修改试验后才获得了这样的视觉效果，她一定相信通过修改可以增强视觉的运动感。所以泽基说：“艺术家成功地用自己的神经组织进行了试验。”但是，当我们用真实的植物代替左屏彩色抽象画时，这次发现：当观者在观看自然色彩的时候，原来看彩色抽象画时大脑中有反应的区域这次仍然有反应，而且还增加了新的反应区，如从V4区域前一直延伸到颞叶和隐藏在颞叶里面的海马突起。所以，人在欣赏自然风光与色彩绘画时的感觉是不一样的。难怪大画家霍克尼会说：“画看久了会生厌，而看自然风光则不会。”

　　后来，又有人用野兽派的彩色作品来代替抽象画，发现大脑的反应也会有些差异。这样有趣的研究现在还是方兴未艾，泽基说：“这些事实再一次证明了艺术家其实都是在探索头脑的奥秘，只是他们自己不知道罢了。”