【转载】艺术与科学

2020年2月24日 0 作者 snowysong@live.com
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爱因斯坦认为,“如果一个方程看上去不美的话,那理论一定有问题”,“真正的科学和真正的音乐需要同样的思维。”

法国作家福楼拜说,科学和艺术总在山顶重逢。古希腊艺术家根据数的规律,赋予艺术品比例上美的和谐。

黄金分割比例是西方古典主义美学的基石,到文艺复兴时期,艺术家将其体现为光影、焦点透视、人体解剖学等科学原理和写实技法,从达·芬奇的许多机械发明手稿中就能看到科学与艺术完美结合的影子。

无论是科学教育领域所提倡的STEAM(科学、技术、工程、艺术、数学)教育理念,还是艺术领域对艺术和技术结合的诸多尝试,都是在同源中寻找更多交叉与融合的可能性。

一、人文与科学的关系

早在公元前六世纪,古希腊的毕达哥拉斯学派就提出了“美是和谐”的思想,并且将这些原则运用到建筑、雕刻、绘画、音乐等各门艺术中去。

文艺复兴解放了被宗教禁锢的思想,绝不仅局限于人文文化,它涉及到思想文化领域的几个方面,由人文主义运动、宗教改革运动和新科学运动所构成,这些运动都渗透着一种理性主义,通过理性主义恢复了人的尊严。

这个时期产生了许多思想和学术的巨匠,他们在科学与人文的领域中充分施展着多才多艺的天赋,他们跨文化创造的建树起到了将科学与人文结合起来的作用。

在这方面可以列举出许多人的名字,如里昂·巴蒂斯塔·亚尔培蒂、韦罗丘、米开朗基罗、达芬奇等。

尤其是达芬奇,他不仅对各种艺术无不擅长,而且对各种知识也无不研究,从他的手稿就可以看出,他观察和研究的范围十分广泛,几乎包括了人文与科学的各个领域。

他不仅是著名的画家,还是雕塑家、工程师、建筑师、物理学家、生物学家、哲学家。在每一学科中,都在当时达到了登峰造极的水平,被公认为文艺复兴时期意大利最杰出的艺术家和科学家。

将科学与艺术结合最好的是达芬奇,可他并不是将科学与艺术结合的第一人,也不是最后一人,在科学家中李政道就是其一。

李政道教授是物理学家,但他对历史、诗词、绘画、音乐等文化艺术,特别是中国的传统文化艺术也十分喜好。

他积极倡导将科学与艺术结合,从1987 年起,先后多次与艺术家合作创造艺术作品,举办“科学与艺术”研讨会,并出版了《科学与艺术》的大型画册。

自1987年以来,中国高等科学技术中心每年举办国际科学学术会议,不但由世界一流的中外科学家和中国青年学者参加,而且每次会议都邀请画家根据会议的科学主题发挥作画。

时至今日,科学与艺术的融通,是一种时代的要求,是人类自身发展的需求。它已不单在较高层次上广泛进行,而且逐渐在成为一个“公众话题”。

有一些自然现象可能是科学家和艺术家共同探讨的问题,如对色彩和光的研究。牛顿对光学的最大贡献是提出了色彩理论,他用实验证明,阳光即白光是由多种色彩的光构成的。他通过一块棱镜将一束入射的白光分解成为彩虹样的彩色光带。牛顿赋予他的光粒子以“倏地变得容易透视、倏地变得容

二、艺术想像、审美要求对科学的影响

科学研究的本质是揭示大自然的奥秘。大自然本身具有一些基本的特征,如简单、美、对称、和谐等等,必然在其物理规律(定律或公式)中有所体现。

科学研究实际上就是要揭示大自然的美丽,科学研究到最高的层次一定会发展到艺术的层面。

科学在不同的层次可以表现出美,特别是在物理本质和数学基础上。一个方程可以表现出简约和对称的美,黄金数则与美丽的五次对称性(如五角星)相联系。

看到黄金数,也可以说看到了连分数、连根式的分形结构(分别为花状和树枝状分形),从而您的脑海里可以浮现出分形的美丽图案。

一个非线性的方程可以与沟渠中的水波甚至大海中的惊涛骇浪联系起来。

而另外一方面,从艺术的角度,自然界实际上是最大手笔的艺术家。许多艺术家实际上都在从鬼斧神工的大自然吸收艺术营养,表现大自然的美丽。

李政道说:“科学和艺术是不可分割的,就像一个硬币的两面。它们共同的基础是人类的创造力。它们追求的目标都是真理的普遍性。

艺术,例如诗歌、绘画、雕塑、音乐等,用创新的手法去唤起每个人的意识或潜意识中深藏着的已经存在的情感。情感越珍贵,唤起越强烈,反响越普遍,艺术就越优秀。

科学,例如天文学、物理学、化学、生物学等,对自然界的现象进行新的准确的抽象。科学家抽象的阐述越简单,应用越广泛,科学创造就越深刻。

尽管自然现象本身并不依赖于科学家而存在,但对自然的抽象和总结乃属于人类智慧的结晶,这和艺术家的创造是一样的。

科学家追求的普遍性是一类特定的抽象和总结,适用于所有的自然现象,它的真理性根植于科学家以外的外部世界。

艺术家追求的普遍真理性也是外在的,它根植于整个人类,没有时间和空间的界限。

科学家是研究自然的普遍规律,追求自然之本真,艺术家对自然的探讨,某些时刻也在追索自然的真理,但更多时,是在探寻自然之美。歌德说:“艺术家在创造第二自然,他们揭示的是艺术之真。

南朝画家宗炳说:“山水以形媚道”“质有而趣灵”,艺术之美、艺术之灵趣,正是自然之质、“道”的外观形式。“媚道”就是用艺术美的形式表现自然之道与自然之质,这就是艺术的最高本质!

蔡元培在民国初期大力提倡美育,认为物理学中的光和色,化学中的原子符号表,生物学中的动植物形象和形状,数学中的几何形,到处都存在美,他认为学校美育不仅可在美术音乐课中进行,也可以在自然科学课中展开。

自然科学家们在探索自然规律时,有时也被自然事物的形象、形式、对称、多样统一、光色变化等感性美所激发、所启发出创造灵感,导致新的科学发现。

所以钱学森认为在逻辑思维和形象思维二种思维之外,还有一种灵感思维,而灵感思维对于科学家和艺术家都同样需要。形象思维和灵感思维滋润了科学家的理性思维,换句话说,某些时刻艺术和美在某种程度上启发和帮助科学家的创造活动。

另一方面,艺术创作中的形象思维主要依靠感觉、表象、情感、想象和直觉活动,但理性思维、逻辑认识,亦常常帮助艺术家确定主题精神,并使其在构图、宏大场面和长篇故事的情节安排,绘画中的复杂空间处理等方面得以顺利进行。

梁启超于20世纪20年代初在国立北平艺专所做《美术与科学》的演讲中,认为西洋现代文化是从文艺复兴时代演进而来,现代文化的根底是科学,从表面看来,美术(梁启超所说的美术即“Art”)是情感的产物,科学是理性的产物,两件事好像不相容,但实质是两兄弟,二者相得益彰。

梁启超认为美术和科学的共同母亲是“自然夫人”,而美术的关键在“观察自然”,美术所以能产生科学,全从“真美”合一的观念发生出来,“热心和冷脑相结合是创造第一流艺术品的主要条件,换个方面看来,岂不又是科学成立的主要条件吗?

梁启超还预言中国将来有“科学化的美术”,有“美术化的科学”,并以此寄托于国立艺专诸君,希望他们创造出科学化的美术来。(梁启超《美术与科学》,见戴吾三、刘兵编《艺术与科学读本》,上海交通大学出版社,2008年)

文艺复兴时期的艺术家和科学家达·芬奇指出,“绘画的确是一门科学,并且是自然的合法女儿。”按照达·芬奇的理解,科学就是对自然的探讨。绘画也是探讨自然的一种手段。

他认为我们的一切知识来源于感觉,视觉是我们获取自然知识的最重要的感觉器官,绘画是视觉艺术,因此它比其他门类的艺术更接近于科学。一门真正的科学应具备两个基本条件:一是以感性经验作为基础,二是能像数学一样严密论证。绘画艺术具备这两个条件。

“绘画科学研究物象的一切色彩,研究面所规定的物体的形状以及它们的远近,包括随距离之增加而导致的物体的模糊程度。这门科学是透视学(视线科学)之母。”(《达·芬奇论绘画》,戴勉编译,人民美术出版社,1979年)

文艺复兴时期的阿尔伯蒂和达·芬奇他们将绘画透视学与数学基础几何学结合起来研究,发现焦点透视、线透视、空气透视等规律,并通过色彩研究,发现色彩明暗和在平面上呈现物体凹凸感即立体感的规律,成为后来西方写实油画之科学再现事物方法的基础。

有一些自然现象可能是科学家和艺术家共同探讨的问题,如对色彩和光的研究。

牛顿对光学的最大贡献是提出了色彩理论,他用实验证明,阳光即白光是由多种色彩的光构成的。他通过一块棱镜将一束入射的白光分解成为彩虹样的彩色光带。牛顿赋予他的光粒子以“倏地变得容易透视、倏地变得容易反射”的性质。

艺术家歌德写了三大卷专著讨论色彩问题,第一卷651页,用了近300页的篇幅批判牛顿的学说,第二卷共757页,翔实地对从毕达哥拉斯到牛顿的各种色彩理论进行历史回顾,第三卷收入若干色彩图表。

歌德的色彩理论是非数学的,是主观性的,歌德强调的是色彩属于心理效应。

海森堡说:“歌德的色彩理论为我们构筑了一种和谐的秩序,在这一种秩序中,就连最微小的细节都具有生命的内容,并囊括了色彩的客观的和主观的整个表现范畴。”

三、科学发现和科技进步对艺术发展的促进作用

在艺术与科学的融合中,科技与艺术的结合更为紧密。科技的发展为艺术提供新的表现手段,拓展了艺术的表现空间。

例如:公元前6世纪,毕达歌拉斯学派就把最新的科技运用到建筑和音乐中,将琴弦长短粗细与音律的关系的研究运用到乐器制造中,将美与某种比例的关系研究运用到建筑及音乐中。

我国湖北随县曾候乙墓出土的铜编钟,运用了当时十分先进的音律技术、冶练与铸造技术。

古代埃及的金字塔是在当时数学、天文学、物理学高度发达的前提下建造的;西方油画的发展与透视学、解剖学、色彩学、光学是分不开的。

对空间和时间的研究,不仅是科学家探讨的领域,也是艺术家试验的课题。

以牛顿为代表的绝对时空观,把时间和空间看成是两种并存的绝对分开的独立于物质之外的实体。

1905年爱因斯坦创立的狭义相对论指出,时、空的度量都是相对的,具有不同速度的惯性系,不可能有绝对同一的时间尺度和空间尺度。

既然自然科学中的经典时空观受到挑战,难道绘画中的时空观不能重新思考吗?阿波利奈尔和毕加索在这种科学氛围下也在画室中经常谈论“第四空间”这个新词。

毕加索要用绘画对时空表现进行新的探讨。毕加索受爱因斯坦“第四空间”理论的影响,创立了立体主义。对绘画空间重新探讨,在画面中分解形体,重新组织形象,运用想象中的形象代替自然形象,实现了绘画中的一次大革命。

1909年,以意大利艺术家波丘尼、卡拉等人为代表的未来主义将时间的概念引入静态的绘画和雕塑中,将动力、速度、力学、运动作为绘画中表现的主题,将工业社会机械带来的新的特点加以表现,创作出《一辆汽车的力学》等作品。毕加索、波丘尼、卡拉用绘画对空间和时间问题进行新的探索。

随着现代科技的迅速发展,艺术的式样也有了更大的发展空间。如:电影、电视、时装、工业造型设计、电声音乐等。

现代科学技术与艺术的结合极大地丰富了艺术表现力,拓展了艺术表现空间。比如电脑绘画、电脑设计建筑、电子音乐、电脑动画等。

中国科技大学梁琰老师拍摄了《美丽化学》系列视频,从艺术角度阐释了科学之美,让更多孩子在科学启蒙阶段就爱上化学。

一些艺术家与科学家、音乐家合作,把气象数据改编成乐谱进行表演,用数据可视化的艺术方法呼吁人们关注气候变化。

四.艺术与科学结合的完美典范

1 动物标本艺术

日本艺术家Iori Tomita特殊欣赏“死亡艺术”,他将化学药剂与艺术结合在一起,呈现出海洋生物美妙的骨骼结构。他制作了大量海洋生物标本,先对尸体施用化学药剂,之后干燥保存,这些标本包括:鱼类、海龟、海马等。化学药剂可以分解尸体蛋白质和肌肉,仅留下胶原蛋白,从而完整保存了生物骨骼结构。

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2 植物插图

数百年以前,植物插图是人们记录具有治愈特性植物的有效方式,草药和其它植物的详细插图可使植物学家和医生识别药用价值的植物种类。据悉,迄今保存完好的最古老植物插图是“Codex Vindebonensis”,其历史可追溯到公元512年。

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3 气候科学

纽约城市大学地球和大气科学副教授马尔科-特德科斯注意到了气候科学的美妙之处,例如:洪水泛滥、云层结构、融化冰层。为了使气候科学更具有吸引力,他和同事共同筹建了一个叫做“Polarseeds”的研究项目,通过摄像、音乐和视频等形式呈现气候科学的多元化艺术。

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4 地球艺术

美国宇航局地球资源卫星拍摄了大量地球照片,为地球陆地使用和自然资源利用提供了重要数据,该卫星拍摄了山脉、峡谷、岛屿、森林以及草原地形。

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5 列奥纳多-达-芬奇

意大利画家、建筑师、工程师、雕刻家和发明家列奥纳多·达·芬奇着迷于解剖学,他对人体结构非常感兴趣,他曾声称自己解剖过30多具尸体,并大量绘画了人体器官和肢体的结构。

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6 斐波纳契艺术

数学爱好者都知道斐波纳契数列是一个重要的数字序列,第一组9数序列是:0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21。现代物理、准晶体结构、化学等领域,斐波纳契数列都有直接的应用。令科学家吃惊的是,斐波纳契数列结构也存在于自然界之中,例如:向日葵、星系、蜂窝结构、飓风。

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7 显微艺术

科学摄影师马汀-奥格里使用扫描电子显微镜拍摄了花粉、细菌、昆虫和真菌等显微照片,放大率达到50万倍以上。他的摄影作品经常发表在《美国国家地理频道》上,他说:“我希望能够让更多的人知晓世界上最微小的生物体,它们具有完美身体结构,值得我们去关注!”

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8 生物性发光艺术

生物性发光艺术作品使用自然发光细菌形成错综复杂的图案结构,仅在昏暗光线才能看到。如图所示,这些带有色彩的生物性发光细菌存在海洋环境之中,研究人员将这些发光细菌放在培养皿中,在昏暗光线下发光。

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9 阿尔布雷希特·丢勒是一位德国画家、版画家和理论学家,他是北欧文艺复兴时期最伟大的德国艺术家,他的木刻版画和水彩画呈现精确的动物解剖结构。如图所示,这是他的版画作品——《犀牛》,创作于18世纪,这幅作品具有清晰准确的犀牛肢体比例和结构。

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10 音速雕像

英国艺术家卢克·杰拉姆能够巧妙地将科学与艺术结合在一起,如图所示,这是杰拉姆制作的“音速雕像”。科学作家乔伊-汉森说:“无形的音波以3D雕像形式形象地呈现出来,给人一种全新的体验!”

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作者:周卫英
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