绘画“讲述”的科学故事

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古往今来，有许多科学故事是通过绘画来“讲述”的。特别是，一些流行的科学技术史、科学发现和发明故事经常使用与科学技术有关的著名或不知名画家的作品作为插图。然而，作者认为，一些插图的使用只能起到科普的辅助作用，不能以独立的形式表达科普形象。然而，真正能“讲述”科学故事的绘画需要专门的科学艺术创作。有时，即使是看似抽象而深刻的方程式也需要有机地融入到绘画中，在图像和抽象的有趣交集中，年轻人会不知不觉地理解他们需要在课堂上记住什么来掌握——我想在这个杂七杂八的演讲中做一些尝试。

让绘画“讲述”突出科学思想的故事。

17世纪西欧生产了各种测量工具，并建立了一套定量测量单位。当时，人们认为古罗马诗人贺拉斯的诗句“一切都可以衡量”是绝对合理的。尽管今天人类已经将测量精度提高到了微观粒子的水平，但事实上，德国物理学家海森堡在1927年提出的“不确定性原理”(或“不确定性原理”)指出，微观量子力学范畴中人类的科学测量有一些理论上的局限性:在确定粒子的位置时，它们的动量大小不能同时确定，反之亦然。

作为量子力学的主要创始人，海森堡成为1932年诺贝尔物理学奖的获得者之一。量子力学是整个科学史上最深刻的思想之一。海森堡对其矩阵形式的建立做出了重要贡献。

海森堡提出了科学思想的“不确定性原理”——图中的数学表达式是原理的数学表达式(其中&δ；x是位置变化，&δ；p是动量变化，h是普朗克常数；这种存在于微观世界的科学思想很容易理解，就像海森堡的帽子(位置确定，动量不能同时确定)或举帽(动量确定，位置不能同时确定)。

“科学思想”是一个合理的概念和推理规则，它可以根据不同历史阶段的各种特殊科学理解和研究方法，发现和解释其他相似或更多的事物。它在更深更广的科学研究和实践中起着指导作用，如“物质波”的概念。

受爱因斯坦光量子波粒二象性的启发，年轻的法国人德布罗意在20世纪20年代提出了“物质波”的概念。出身贵族的德布罗意并没有像其他人一样整天游手好闲，而是努力成为一名真正的理论物理学家。“物质波”理论后来成为薛定谔建立量子力学波形的基础。1929年，他独自获得了诺贝尔物理学奖——应该说，他是第一个勇敢地推广量子理论的人。

德布罗意正在思考他的“物质波”方程的形式表达——波长(λ；)与普朗克常数(h)成正比，与它传播的动量(mv)成反比，即具有静态质量的物质粒子(如“电子”)也具有挥发性。它与粒子性质的关系就像一枚“硬币”的两面，彼此融化共存，在不同的条件下有不同的表现& hellip

让绘画“讲述”突出科学精神的故事。

科学精神是人们在长期科学实践中形成的共同信念、价值观和行为准则的总称。它突出了实事求是、锲而不舍、锲而不舍、勇于创新的精神。在科学史上，无数反映科学精神的故事是感人至深的，其中居里夫人一家四口的事迹尤为突出。

证明天然放射性元素的存在并把它们彼此分开是居里夫妇一生中最伟大的科学成就——因此他们能够取得如此伟大的成就不仅是因为他们大胆的直觉，还因为他们在难以想象的极端困难下工作的热情和顽强精神，例如从大量沥青中提取微量镭的故事。居里夫人不仅拥有这种精神，而且还把它传给了她的女儿和女婿。

1935年，居里夫人的大女儿艾琳和她的丈夫八神在实验室里用静电计进行测量。背景是使用α；这些粒子轰击铝核以获得人造放射性图片——两个人视线的交点(化学方程式)是放射性同位素释放的正电子对合成磷的描述。

1934年2月10日，八神居里和他的妻子在著名的英国科学杂志《自然》上发表了一篇科学论文，宣布了“人工放射性”的存在，这是20世纪最重要的发现之一。1935年底，这些发现者在斯德哥尔摩从瑞典国王那里获得了诺贝尔化学奖。

除了居里夫人的丈夫布尔&布尔；居里因为一次交通事故过早地离开了世界。居里夫人、她的大女儿和女婿都因长期暴露在放射性实验中而患了相关疾病，并提前去世。然而，居里夫妇的科学精神永远留在了世界上。

让这幅画“讲述”科学方法的故事。

1929年，美国天文学家哈勃通过对几十个星系测量距离的数据进行统计分析，绘制了一幅直线图像，从而发现星系后退速率与星系距离的比值是一个常数，两者之间存在线性关系(后来被称为哈勃定律)。那么他用什么科学方法来确定这种关系呢？

我们说“科学方法”是人们在理解和改造世界中遵循或应用的各种方式和方法，符合科学的一般原则，包括理论和应用研究、发展和普及等科学活动中使用的思想、程序、规则、技术和模型。为了证实其估计的发现，哈勃需要使用许多这样的科学方法。他将威尔逊山天文台100英寸望远镜拍摄的图像与之前拍摄的仙女座星系照片进行了对比。从哈勃当时留下的照片和笔迹中，我们可以清楚地看到当他发现他认为是一颗新星的东西实际上是一颗变星时的兴奋——他用了“变星”做了标记。

哈勃的烟斗式回归“烟圈星系”反映出他的烟斗几乎和它的红移-距离关系定理一样著名，他的许多照片都有这两个“共同因素”。因此，他们也出现在这幅画中，除了“哈勃定理”出现在他的烟斗柄上——以表达他的灵感可能来自于他头脑中的浮云。用“哈勃太空望远镜”代替哈勃管的圆柱形末端，确实是相似的，也是象征性的。最重要的是，烟圈一个接一个地变成了逐渐消失的星系，这表明它们的定理有助于推动宇宙膨胀理论的诞生。

因此，哈勃既是一个严肃的观察者，也是一个富有想象力的人。从1924年测量星系的距离到1929年他宣布星系多普勒效应的红移会随着距离的增加而增加，他把沙普利提出的距离测量方法发展成了一门艺术。红移-距离关系表明，离我们较远的星系正以更快的速度远离我们。可以说，哈勃定理的运动性质催生了现代宇宙学，而他所用的科学方法为建立今天的“膨胀宇宙”模型搭建了第一批“脚手架”。

让绘画“讲述”凸显科学实验的故事

在微观世界中，基本粒子有三种基本对称模式，其中一种是空间反射对称，即相同的粒子是彼此的镜像，它们的运动规律是相同的，这叫做“奇偶性”。换句话说，如果“左”被“右”所取代，反之亦然，那么转换后的物理过程仍然遵循同样的物理规律。“宇称守恒”是当时公认的重要物理定律，其基础“左右对称”一直被视为物理学中的一条自然公理。

1956年6月，美籍华人物理学家李政道和杨振宁共同撰写了《对弱相互作用中宇称守恒的质疑》。这篇论文犹如一枚重磅炸弹，打破了世界物理学界的平衡——在深入细致地研究了各种因素之后，李和杨大胆地断言当时所谓的“&θ；-&τ；神秘中的τ；和θ。它们是完全相同的粒子，但是在弱相互作用的环境中，它们的运动规律不一定完全相同。通俗地说，如果这两个相同的粒子照镜子，它们的衰变模式在镜子内外实际上是不同的！

这幅画生动而概括地“讲述”了“弱相互作用下宇称不守恒”的科学实验故事——在这幅画中，杨振宁和李政道明显的不对称形象和象征“宇称不守恒”的计数器指针的不对称镜像被用来证明吴健雄实验设计的卓越。结果，杨振宁和李政道获得了1957年诺贝尔物理学奖，而吴健雄，作为她的姐姐，悄悄地接受了他们的工作。

开始时，“θ；-&τ；这个谜只是被认为是一个特殊的例外，人们仍然不愿意放弃整个微观粒子世界的宇称守恒。此后不久，美籍华裔女性实验物理学家吴健雄设计了一个巧妙的实验，用两套实验装置观察钴60的衰变。她用一个极低温度(0.01千)的强磁场将一组装置中的钴原子核旋转到左手，另一组装置中的钴原子核旋转到右手，钴60是彼此的镜像。结果表明，两组器件中钴60发射的电子数相差很大，电子发射的方向不能对称，这一结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。

吴健雄是核物理学家，生于1912年，祖籍中国苏州太仓。他被称为“东方的居里夫人”。她的实验是一种在人为控制的条件下，通过干预和控制研究对象来观察和探索其相关规律和机制的研究方法，以实现预定的科学目的，从而获得知识并检验知识是否正确。在20世纪50年代事业的鼎盛时期，吴健雄有着成熟、稳重和温柔的形象。她证明了“宇称不守恒”的科学实验和她的人民一样美丽和著名。

让绘画“讲述”反映科学发现的故事。

有许多反映重大科学发现的艺术作品。例如，一幅描绘牛顿发现万有引力的画的作者就见过五六种以上。在人物刻画、心理反应、环境氛围和发现时刻等方面，似乎没有太多完美的作品，有些人物则大相径庭。作者为这个故事画了一幅画，其中苹果在空中“嗖嗖”的轨迹成了“万有引力定律”的垂直数学图像。

将近400年前，英格兰的乌尔索普村。在一个宜人的秋夜，牛顿坐在家乡的一棵苹果树下，遥望月亮，低头沉思。突然，一个苹果掉到了地上——一旦所有东西都失去了支撑，它一定会掉下来。月亮呢？它也没有支撑，为什么不倒下？刹那间，牛顿“看到”了答案:使月球保持在轨道上的力和把苹果拉向地面的力是相同的力& hellip& hellip

牛顿如何“看”苹果并不重要。他把苹果和月亮联系起来，找出苹果和月亮之间的关系，并发现万有引力定律(两个物体之间的引力与其质量的乘积成正比，但与其距离的平方成反比)。这是最重要的事情。

在牛顿的头脑中，成熟苹果的下落与在任何人的眼中都不一样。科学发现就是这样，它是所有科学活动的直接目标，是对未知事物或规律的揭示，主要包括事实的发现和理论的提出——这两种发现既相互联系又相互促进——牛顿关于万有引力发现的描述反映了这种情况。它也成为人类第一次科学革命的主要标志之一。

让这幅画“讲述”科学和人类的故事。

虽然科学和人文有不同的内涵，但它们有一定的内在联系——科学是探索事物的规律，寻求真理，人文是把握科学的方向，寻求善。科学不能解决进步的方向和价值观等问题。人文学科不能直接解决科学研究中的具体问题。科学与人文的结合可以产生奇妙的效果，从而促进社会文明的发展和科学技术的进步。

可以说，爱因斯坦是科学与人文相结合的典型代表，产生了灿烂的科学花朵和丰硕的科学成果。他一生热爱音乐，尤其是拉小提琴。他喜欢巴赫、莫扎特和一些早期的意大利和英国作曲家。他甚至说，“没有早期的音乐教育，我将一事无成。”对他的研究表明，美妙而有节奏的音乐旋律和其他一些人文细节确实给他带来了无限的遐想，促使许多离散的物理概念在他的大脑中有机地联系起来，这导致了20世纪初的物理变化。

爱因斯坦认为他的小提琴演奏水平超过了物理学研究——这项工作表明，他演奏的音符已经成为引力场方程(绕着太阳强大的引力场弯曲)——广义相对论是爱因斯坦在物理学巅峰时期的“艺术杰作”，展示了科学与人文交叉产生的巨大能量。这让我们觉得他不仅是科学家，也是科学艺术家。

爱因斯坦出生于1879年，是一名德裔美国理论物理学家，也是现代物理学的创始人和奠基人之一。“光电效应”的发现获得了1921年诺贝尔物理学奖。他的形象和从他的狭义相对论衍生出来的质量能量方程已经成为世界科学的图腾。

虽然没有关于爱因斯坦和足球的趣闻轶事，但仍有两三件事可以证明他对运动的热爱:例如，他在朋友家的院子里骑自行车，他非常喜欢帆船，他经常和居里夫人一家去远足等等。从“爱因斯坦踢足球”中提取的流行科学的狭义相对论的“标度效应”的下列想象图说明了一个观点:当任何物体以光速或接近光速运动时，其运动方向的标度应该缩短。

爱因斯坦踢出了足球卡通的“尺度效应”，生动地推广了奇怪而困难的狭义相对论中的一个效应——如果你不相信你把一个常规的足球直径带入图片l0中的方程，然后用你“踢出”的足球高速代替V(球速)，那么得到的足球形状必须与图片中爱因斯坦踢出的球相同——是一个椭圆形。在这里，我们甚至可以转换爱因斯坦关于“科学与宗教”关系的说法，这样说:没有人文精神指导的科学研究是盲目的，而没有科学规律支持的人文思想是站不住脚的。

最后，让我们来看看作者“讲述”中国著名科学家的科学故事的两幅新作:

这幅画是在作者得知涂有友因发现“青蒿素”被用于治疗疟疾并拯救了全世界数百万人的生命而获得诺贝尔奖后创作的。反映了涂有友一生的科学实验和研究过程可以浓缩成一幅连续而简洁的画面:从我国东晋古代药典中葛洪“肘后备急方”的发掘到用低沸点乙醚加热提取青蒿素有效成分；从青蒿素分子式结构的确定到她自己的科学专著《黄花蒿和黄花蒿药物》的摘要出版——通过其不断进步的科学研究形象展示，可以描述她成为新中国第一位诺贝尔自然科学奖获得者的执着心路历程。屠友友的科学故事为中国科学家树立了一个榜样，那就是只要他们坚持自己的科学信念和研究特点，就有可能站在世界科学的光辉顶峰。

这幅画描绘了中国“杂交水稻之父”袁隆平在蓝天、白云和绿野的背景下进行水稻杂交育种实验的画面。虽然他看起来像一个扎根在地里的农民，但他与“外国”事务密切相关——他喜欢拉小提琴，于2006年4月被选为美国科学院的外国院士，并于2011年获得马哈蒂尔科学奖-&hellip。& hellip最近，据透露，最新的科学成果是栽培品种的水稻产量打破了世界纪录。袁隆平的实践和成就表明，科学为人类服务，能够为世界和平做出贡献。因为他喜欢拉小提琴、电子琴、排球和游泳，可以说他的成就取决于他的人文精神。在这幅画中，作者描绘了他头脑中产生的五线谱的起伏，这种起伏导致了越来越多的米粒，最后变成了白米粒。它们的结合形成了人类健康的福音& hellip& hellip

总之，通过艺术想象和创作，再加上广泛的科学知识支持，我们可以将科学故事与绘画艺术有机地结合起来，使这样一幅科学与艺术交融的绘画不仅具有美学功能，而且还具有科普或传播科学的功能——为什么不呢？