物理与艺术（白蒲中学）.ppt

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1、科学与艺术科学与艺术南京航空航天南京航空航天大学理学院大学理学院施大宁施大宁http:/ 李政道李政道竹神萧萧问秋风，竹神萧萧问秋风， 君影茫茫去何处君影茫茫去何处 ！ 纪念秦惠筠女士纪念秦惠筠女士2001年年5月，月，“科学与艺术科学与艺术”展览展览与研讨会在北京举行。与研讨会在北京举行。2001年年10月月7日，日，“科学的挑战科学的挑战”报告会在人民大会堂举行。报告会在人民大会堂举行。我们不应该停止探索，我们不应该停止探索，我们一切探索的目的，我们一切探索的目的，都是回到我们出发的地方，都是回到我们出发的地方，然后第一次将它认识。然后第一次将它认识。 T. S. T. S. 艾略特艾略特

2、 点、线、面，点、线、面， 黑、白、灰，黑、白、灰， 红、黄、绿，红、黄、绿， 这些基本的元素，这些基本的元素， 营造极复杂的绘画，营造极复杂的绘画， 求证科学：简单与复杂。求证科学：简单与复杂。 抽象画，道是无题却有题：抽象画，道是无题却有题： 流光流光 流光容易把人抛流光容易把人抛 红了樱桃，绿了芭蕉。红了樱桃，绿了芭蕉。 错误的“传统观念”：l简单的系统总是以简单的方式表现出来简单的系统总是以简单的方式表现出来l复杂的现象一定源于复杂的原因复杂的现象一定源于复杂的原因一个成功的医生；一个成功的医生；试图回答女儿一个问题；试图回答女儿一个问题；花了十多年年时间；花了十多年年时间；写了一本送

3、给外孙女的书。写了一本送给外孙女的书。知识学习与素质培养相结合，人文精神与科学知识学习与素质培养相结合，人文精神与科学思想相交融思想相交融 ，注重知识、素质、能力、精神综，注重知识、素质、能力、精神综合培养。合培养。 通识教育：科学、人文、艺术全面素质教育通识教育：科学、人文、艺术全面素质教育l比较性地阐述物理学家和比较性地阐述物理学家和艺术家从观察自然，到描绘艺术家从观察自然，到描绘自然，进而思考自然的革命自然，进而思考自然的革命性工作性工作l分析比较他们在创新意识分析比较他们在创新意识和思维方法上的共同点和思维方法上的共同点. .杨叔子先生亲笔作序杨叔子先生亲笔作序“大学教育教学理念正向更

4、加重视素质教育大学教育教学理念正向更加重视素质教育的方向转变，向科学教育与人文教育相融的方向转变，向科学教育与人文教育相融合的方向转变，以造就不器的合的方向转变，以造就不器的大道大道，培育不器的培育不器的君子君子”。 杨叔子：杨叔子：物理与艺术物理与艺术序序 2005年全国物理教育学术研讨年全国物理教育学术研讨会特邀大会报告（青岛）会特邀大会报告（青岛）2005年中国科学院技术科学论年中国科学院技术科学论坛坛45分钟大会报告分钟大会报告2007年江苏省精品课程年江苏省精品课程2009年国家级精品课程年国家级精品课程在在50余所大学作演讲余所大学作演讲2011年江苏省教学成果特等奖年江苏省教学成

5、果特等奖更多评价参阅课程网站：更多评价参阅课程网站：http:/ 高中物理教材高中物理教材主编张大昌教授主编张大昌教授艺术艺术表现手段是图象和隐喻（表现手段是图象和隐喻（ images & metaphors）（想象力与审美力）（想象力与审美力）物理物理表现手段是数字和方程（表现手段是数字和方程（numbers and equations） （数学数学关系和实验特征）关系和实验特征）传统传统上说，上说，艺术艺术抒发抒发情感情感；物理物理追求追求理性理性 表面上表面上对立对立 艺术艺术 和和 物理物理 共同点？不同点共同点？不同点？但是但是, 两者两者均面对均面对同一个自然同一个自然，均是人类尝

6、试，均是人类尝试认知真理认知真理的手段。的手段。我们从何处来？我们是什么？我们往何处去？我们从何处来？我们是什么？我们往何处去？ 高更高更（1897） 科学的基本问题：科学的基本问题：宇宙是怎样起源的？生命是怎宇宙是怎样起源的？生命是怎样起源的？人类的未来会怎样？样起源的？人类的未来会怎样？艺术和物理是人类认知真理的平行愿景艺术和物理是人类认知真理的平行愿景ManReality同一个宇宙同一个宇宙同一个梦想同一个梦想乔托乔托1266 1337 达达芬奇芬奇14521519毕加索毕加索18811973哥白尼哥白尼1473 1543 牛顿牛顿1642 1727爱因斯坦爱因斯坦1879 1955观察

7、观察自然自然描绘描绘自然自然思考思考自然自然乔托乔托1266 1337 达达芬奇芬奇14521519毕加索毕加索18811973哥白尼哥白尼1473 1543 牛顿牛顿1642 1727爱因斯坦爱因斯坦1879 1955乔托乔托1266 1337 达达芬奇芬奇14521519毕加索毕加索18811973哥白尼哥白尼1473 1543 牛顿牛顿1642 1727爱因斯坦爱因斯坦1879 1955透视原理透视原理参照系参照系现实艺术现实艺术宏观世界宏观世界艺术革命艺术革命科学革命科学革命认识尚未被人类语言所定义认识尚未被人类语言所定义的未知事物的未知事物&前卫性的艺术前卫性的艺术&革命性物理学革命

8、性物理学哥白尼的日心说哥白尼的日心说乔托的透视画法乔托的透视画法爱因斯坦相对论爱因斯坦相对论毕加索立体主义毕加索立体主义物理和艺术发展史上最大的创新：物理和艺术发展史上最大的创新：哥白尼的日心说哥白尼的日心说（14731543年）年）乔托的透视原理乔托的透视原理（12661337年）年）观察和描绘自然观察和描绘自然从中世纪一直到十五世纪，教会承从中世纪一直到十五世纪，教会承认希腊天文学家认希腊天文学家托托勒密总结的宇宙勒密总结的宇宙地心体系：地球作为宇宙的中心，地心体系：地球作为宇宙的中心，日、月、恒星等围绕地球运动日、月、恒星等围绕地球运动托托勒密勒密(2nd century A.D. 希腊

9、天文学家）问题问题1：为什么月亮时大时小？：为什么月亮时大时小？答案：答案：忽近忽远（模型的缺陷）忽近忽远（模型的缺陷）问题问题2：为什么有行星退行现象？：为什么有行星退行现象？答案：均轮答案：均轮+本轮本轮“如果上帝在创世时能与我商如果上帝在创世时能与我商量一下，我会给他更好的建量一下，我会给他更好的建议。议。” 阿尔方斯国王阿尔方斯国王1543年，年，哥白尼在临终前出版了哥白尼在临终前出版了 天天体体运行论，向我们描绘了一个全新运行论，向我们描绘了一个全新的宇宙：的宇宙： 日心体系日心体系开拓了人们观察自然的角度和视界。开拓了人们观察自然的角度和视界。“倘若把观察行星轨道的视点从地球转倘若

10、把观察行星轨道的视点从地球转为太阳，结果又该如何呢？为太阳，结果又该如何呢？” 哥白尼（哥白尼（1473-1543）这是第一版的这是第一版的天体运行论天体运行论中最著名的一页木刻插图中最著名的一页木刻插图 哥白尼哥白尼挡住了太阳，推动了地球。挡住了太阳，推动了地球。哥白尼最重大的创新：哥白尼最重大的创新：找到一个找到一个正确的参考点正确的参考点看宇宙看宇宙哥白尼的日心说自然地解释了火星哥白尼的日心说自然地解释了火星退行现象退行现象。乔托的透视画法乔托的透视画法（12671337年）年）艺术上：没有立体感；没有透视；没有没有立体感；没有透视；没有空间与时间；曲解光的意义空间与时间；曲解光的意义圣

11、狄奥多尔和圣乔治在侧的圣母子圣狄奥多尔和圣乔治在侧的圣母子 西奈山圣像，公元西奈山圣像，公元6 6世纪。世纪。乔托之前，人类从没有学乔托之前，人类从没有学会画风景会画风景希腊瓶画希腊瓶画乔托（乔托（12671337）被称为）被称为“西方美西方美术之父术之父”，和但丁并列为文艺复兴早，和但丁并列为文艺复兴早期的西方文学和艺术期的西方文学和艺术“双子星座双子星座”。乔托发现了人，把人从神学的铁牢中乔托发现了人，把人从神学的铁牢中解救出来，请入了艺术的殿堂，奠定解救出来，请入了艺术的殿堂，奠定了文艺复兴现实主义艺术的基础。了文艺复兴现实主义艺术的基础。“契马布埃想在绘画上立于不败之地。契马布埃想在绘

12、画上立于不败之地。可是现在得到彩声的是乔托可是现在得到彩声的是乔托” 神曲神曲但丁（但丁（1265-1321）乔托画像乔托画像乌切罗（1397-1475）相遇相遇金门金门乔托乔托( 1300)乔托对表现形式的更新以及他表现真实的乔托对表现形式的更新以及他表现真实的“建筑学建筑学”的空间手法（故他笔下的空间手法（故他笔下的形象与建筑物和周边风景比例相当）都标志着美术史上的一次飞跃。的形象与建筑物和周边风景比例相当）都标志着美术史上的一次飞跃。哀悼哀悼基督基督1305/6)透视透视画法：在平面上表现立体形的法则。画法：在平面上表现立体形的法则。按照透视法，距离愈远，物体画出来愈小，平按照透视法，距

13、离愈远，物体画出来愈小，平行的线渐渐交汇在一起行的线渐渐交汇在一起。乔托让艺术从天上回到人间，人类从此乔托让艺术从天上回到人间，人类从此学会了看风景学会了看风景在在以透视原理为准则的艺术中，观赏者处于以透视原理为准则的艺术中，观赏者处于一个绝对静止的点上一个绝对静止的点上焦点焦点灭点灭点在在以透视原理为准则的艺术中，观赏者处于以透视原理为准则的艺术中，观赏者处于一个绝对静止的点上一个绝对静止的点上最后的晚餐最后的晚餐达达芬奇芬奇(1495-98)horizontalvertical“透视透视原理把只有惟一一个视点原理把只有惟一一个视点作为第一要素作为第一要素，着便使视，着便使视觉体验建立到了稳

14、定的基础上。于是，它在混沌中创立了觉体验建立到了稳定的基础上。于是，它在混沌中创立了秩序，使相互参照实现了精密化和系统化，很快地，透视秩序，使相互参照实现了精密化和系统化，很快地，透视原理便成了一致和稳定的试金石原理便成了一致和稳定的试金石” 鲁鲁塞耳塞耳 时代时代艺术评论员艺术评论员西方美术从此才有了基础西方美术从此才有了基础透视透视（Perspective） = “清楚地观赏清楚地观赏（clear seeing）”观察宇宙有一个最佳参照系（绝对系）观察宇宙有一个最佳参照系（绝对系）牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观伽利略伽利略的发现的发现:惯性惯性参照系（伽利略参照系）参照系（伽利略参照系）

15、相对相对于其自身运动绝对静止的参照系是唯一的于其自身运动绝对静止的参照系是唯一的物理学中占有物理学中占有优先地位的绝对静止参照系的思想优先地位的绝对静止参照系的思想与与200年前年前乔托等艺术家乔托等艺术家发展出发展出的透视原理的思想如出一辙的透视原理的思想如出一辙在在以透视原理为准则的艺术中，观以透视原理为准则的艺术中，观赏者处于一个绝对静止的点上赏者处于一个绝对静止的点上经典物理学的基础：经典物理学的基础： 绝对时空绝对时空t tz zyytxxv对自然平行对自然平行的认知方式的认知方式古典美术的经久范式：古典美术的经久范式： 透视原理透视原理违反违反透视画法透视画法无无明确的明确的“灭点

16、灭点”无无中景区中景区违反违反光与影的原理光与影的原理无无逻辑自洽性逻辑自洽性无无传奇故事传奇故事无无别致景象别致景象无无神话背景神话背景无无明确解释明确解释挑战挑战欧几里德空间欧几里德空间和亚里士多德时间和亚里士多德时间18631863年发生一件事情：年发生一件事情：草地草地上的午餐上的午餐, 马奈马奈 1863田园田园合奏合奏(1508) 乔乔尔乔内尔乔内 (1478-1510), 提香提香(1488-1576)现代评论家：现代评论家：“整个画面在保持画布原有平面性的同整个画面在保持画布原有平面性的同时，暗示一种全新的三维（视觉）空间的存在。时，暗示一种全新的三维（视觉）空间的存在。” 爱

17、因斯坦相对论爱因斯坦相对论（18791955年）年）毕加索立体主义毕加索立体主义（18811973年）年）思考和理解自然思考和理解自然sm/v4103以太系以太系v迈克耳逊迈克耳逊-莫雷实验莫雷实验40.TheoN 010.expN 爱因斯坦的问题：爱因斯坦的问题：光速是不变的光速是不变的，如果跟光一起跑，如果跟光一起跑，时间和空间是什么？时间和空间是什么？5 miles per hour牛顿力学的世界里（低速情形下），时间是绝对的牛顿力学的世界里（低速情形下），时间是绝对的与火车运动无关与火车运动无关相对论的世界里（高速情形下），时间是相对的相对论的世界里（高速情形下），时间是相对的与火车运

18、动相关；以光速运动时，运动时间成为永恒与火车运动相关；以光速运动时，运动时间成为永恒150000 km/s相对论相对论空间空间视觉效应：视觉效应：在在运动方向上空运动方向上空间产生了收缩效间产生了收缩效应，并导致其它应，并导致其它方向产生了扭曲方向产生了扭曲效果。效果。物体物体在竖直方向在竖直方向上被拉长，最终上被拉长，最终整个空间被曲弯整个空间被曲弯了。了。5 km / h5 km / h150000 km/s随着随着速度的增加，观速度的增加，观察者能够同时地看到察者能够同时地看到房子的正面、侧面和房子的正面、侧面和顶面顶面空间的同时空间的同时可观睹性。可观睹性。最终，当火车速度达最终，当火

19、车速度达到到光速光速时，整个空间时，整个空间收缩到一个两维平面收缩到一个两维平面上。上。Speed = c被观察对象的所有被观察对象的所有面都被同时观睹。面都被同时观睹。1907年毕加索已经把这一图景年毕加索已经把这一图景“巧妙巧妙”地表达在他的作品中地表达在他的作品中。1905年年, 爱因斯坦爱因斯坦提出狭义相对论从科学角度回答了问题：提出狭义相对论从科学角度回答了问题：如果与光同行，看到的世界是什么样子？如果与光同行，看到的世界是什么样子？毕加索立体主义毕加索立体主义（18811973年）年）阿维农少女阿维农少女毕加索毕加索, 1907立体立体主义的定义：主义的定义：物体被分解成物体被分解

20、成视觉小块，又重新被拼接起来，视觉小块，又重新被拼接起来，拼接的方式，是使观画者无须花拼接的方式，是使观画者无须花费时间在空间中移动（一个视点费时间在空间中移动（一个视点上），就能看到排布起来的全部上），就能看到排布起来的全部情况。情况。弹曼陀琴的少女弹曼陀琴的少女（毕加索毕加索, 1911）物体的各个视觉小块物体的各个视觉小块前面的前面的、后面的、顶上的、底下的，还、后面的、顶上的、底下的，还有侧面的，都跳将出来有侧面的，都跳将出来同时同时扑向扑向观众的眼帘。观众的眼帘。二维空间的正方二维空间的正方形图像形图像三维空间一个正三维空间一个正方形图像方形图像三维空间个的三维空间个的正方体正方体必

21、须在三维空必须在三维空间中将物体分间中将物体分解、打破解、打破实现实现“同时可观睹同时可观睹”我们无法进我们无法进入第四维入第四维在在现代物理中，光是现代物理中，光是本质本质的存在的存在,空间和时间则在空间和时间则在与之关联的基础上变化。与之关联的基础上变化。150000 km/s“空间的同时可观睹性空间的同时可观睹性”与光同行与光同行300000 km/s朵拉肖像朵拉肖像 （毕加索, 1937）毕加索毕加索作品中的多重视点：作品中的多重视点：帽子帽子指示上、下、侧三个视指示上、下、侧三个视点点地板地板表明下方；天花板表明表明下方；天花板表明上方。上方。椅子椅子至少有两个观察视点至少有两个观察

22、视点脸脸上有前、后、侧三个视点上有前、后、侧三个视点。 “打破了空间，又重构了空间打破了空间，又重构了空间”阿维农少女阿维农少女 (毕加索毕加索 1907)“我画本我所思，而非所视！我画本我所思，而非所视！” 毕加索毕加索“想象力比知识更重要想象力比知识更重要” 爱因斯坦爱因斯坦和和现代艺术的三大流派：现代艺术的三大流派：野兽野兽主义主义 fauvism未来未来主义主义 futurism立体立体主义主义cubism二十世纪初，诞生了现代科学的两大支柱：二十世纪初，诞生了现代科学的两大支柱：相对论相对论量子量子力学力学马马蒂斯蒂斯毕加索毕加索杜杜尚尚光的意义光的意义空间的意义空间的意义时间的意义

23、时间的意义20世纪世纪的的艺术艺术20世纪的世纪的科学科学都都具有犹太血统，都有各自的精神导师具有犹太血统，都有各自的精神导师创造创造性的性的年代都是年代都是20世纪前世纪前15年年除了没有狗，爱因斯坦在除了没有狗，爱因斯坦在19051905年春天的年春天的情形与毕加索非常相似。巧的是，在爱情形与毕加索非常相似。巧的是，在爱因斯坦周围，也存在一个类似的研究小因斯坦周围，也存在一个类似的研究小组，讨论类似的论题，自称为组，讨论类似的论题，自称为“奥林匹奥林匹亚科学院亚科学院” 年青时忍受事业上的孤独而晚年享誉全球年青时忍受事业上的孤独而晚年享誉全球 毕加索的毕加索的“洗衣舫洗衣舫”中凝聚了一批中

24、凝聚了一批密友，几乎包括先锋派艺术的所有密友，几乎包括先锋派艺术的所有领袖人物。他们向毕加索传达艺术领袖人物。他们向毕加索传达艺术和科学发展的最新信息，包括有关和科学发展的最新信息，包括有关原始艺术、非欧几何、高维度空间原始艺术、非欧几何、高维度空间等等 爱因斯坦以爱因斯坦以美学美学原则解读科学原则解读科学毕加索通过毕加索通过科学科学知识理解艺术知识理解艺术两者两者都是都是机会主义者，机会主义者，最后都疏远他们自己的革命。最后都疏远他们自己的革命。 开朗开朗的性格的性格, 众众星捧月般的交际圈星捧月般的交际圈1879-19551881-1973 木兰花慢木兰花慢送月送月（辛弃疾，（辛弃疾，11

25、40114012071207）可怜今夕月，向何处、去悠悠？是别有人间，那可怜今夕月，向何处、去悠悠？是别有人间，那边才见，光影东头？是天外空汗漫，但长风、浩边才见，光影东头？是天外空汗漫，但长风、浩浩送中秋？飞镜无根谁系？嫦娥不嫁谁留？浩送中秋？飞镜无根谁系？嫦娥不嫁谁留？ 王国维在王国维在人间词话人间词话中评述：中评述：“词人想象，直悟月轮绕地之理，与科学词人想象，直悟月轮绕地之理，与科学家密合，可谓神悟！家密合，可谓神悟！” 牛顿告诉你：飞镜无根牛顿告诉你：飞镜无根引力引力系，嫦娥不嫁系，嫦娥不嫁速度速度留留爱因斯坦告诉你：飞镜爱因斯坦告诉你：飞镜“本本”无根，嫦娥无根，嫦娥“空空”自留自留科学家科学家表现宇宙真实存在的艺术家表现宇宙真实存在的艺术家 以人性之浪漫情怀拥抱宇宙之道以人性之浪漫情怀拥抱宇宙之道艺术家艺术家表现情感真实存在的科学家表现情感真实存在的科学家 按宇宙之道表达人性之浪漫情怀按宇宙之道表达人性之浪漫情怀宇宇宙宙情情怀怀