当绘画体现科学方法

刘夕庆

古往今来，科学家都是运用具体而充满灵感以及通过巧妙设计的科学方法获取科技成果的；无独有偶，绘画艺术家也会运用不同画种、材料和丰富的画法达到表现最佳主题的目的。而当绘画体现不同科学方法的主题时，就会产生如下有意义的科学故事……

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科学方法是人们在认识和改造世界中所遵循或运用的、符合科学一般原则的各种途径和手段，包括在理论研究、应用研究、开发推广等科学活动过程中采用的思路、程序、技巧和模式等。它们是人们为获得科学认识所采用的规则和手段系统。如果没有具体科学方法的运用，科技成果是不可能取得的。

绘画与主体性科学方法

科学方法需要有鲜明的主体性，它体现在科学认识主体（科学家或科研团队）的主动性、创造性以及明显的目的性方面。

1929年，美国天文学家哈勃发现了星系到地球的距离与星系红移之间的关系—星系退行的速率与星系距离的比值是一常数，两者间存在着线性关系，这一关系后来被稱为哈勃定律。那么哈勃究竟是怎样运用主动性、创造性确定了这一关系呢？

哈勃通过对已测得距离的几十个星系数据的统计，画出一条直线图像进行分析并估算。为了确认其估算性发现，他主动且创造性地运用了很多规则和技巧—其中之一就是，他把美国威尔逊山天文台100英寸口径望远镜所拍的图像与之前拍摄的仙女座星系的感光底片进行了对比。当时哈勃留下的图片和手迹，清楚地展现了他在发现原先认为的新星实际上是一颗变星时的激动之情—他用“变星！”做了记号—此举在科学方法上带有明显的目的性。

由此可见，哈勃把另一位美国天文学家沙普利开创的距离测量方法发展成了一种精细的艺术—从1924年开始测定星系的距离，到1929年哈勃宣布星系多普勒效应的红移往往随距离的增加而增加。红移-距离关系表明，距离越远的星系正以越来越快的速度远离我们。可以说，哈勃定理催生了现代宇宙学，它告诉人们：我们的宇宙正在膨胀。

自牛顿以来的许多杰出科学家都想从根本上改变当时科学研究中的思维方法，因此他们都逐步建立起了自己的宇宙观—今天我们称之为“牛顿宇宙”“爱因斯坦宇宙”的理论构架就是其具体表现形式。而哈勃的科学方法为当今“膨胀宇宙”的架构筑立起了第一个“脚手架”。这些方法有时甚至比其科学理论本身更加引人入胜。

延伸阅读

列奥谬尔是昆虫学的创建者之一，他就昆虫的生活周期和行为写过一部六卷本的纲要—采用的方法就是主动对活体昆虫的习性进行耐心、细致的观察。在列奥谬尔的著作中，强调了要关注昆虫大类的区分，而不仅仅限于对个别物种细节描述的方法，这为后来林奈等人进行物种分类系统的修订打下了基础。

绘画与规律性科学方法

科学方法除了需要主体的主动性、创造性以及明显的目的性外，还要充分符合科学理论形成的规律性。具体地说，它就是以合乎理论规律为主体的科学知识的程序化。

20世纪20年代初，爱因斯坦柏林书房的墙上挂有三幅肖像画：牛顿、法拉第和麦克斯韦。因为他相信自牛顿时代以来，人类在物理世界认知上最伟大的变革源于法拉第的实验以及麦克斯韦对其提供的相应理论解释。麦克斯韦用一生的研究诠释了为什么科学会被称作“解决问题的艺术方法”，突显了在直觉基础上的电磁实验方法和在联想基础上的电磁场方程推演方法的结合。“直觉”和“联想”都是创新的基本要素，但它们需要充分合乎理论形成的规律性：力线、场、电磁波、光色……它们象征着从“力线与场”的角度考虑电磁学实验和理论的完美结合。

在此基础上，麦克斯韦还预言了光是电磁波段的一小部分。这一预言于1887年在德国物理学家海因里希·赫兹的电磁波实验中得到证实。麦克斯韦对法拉第等人实验的一系列科学理论解释（电磁学方程组）和对光的预言过程，都是以合乎理论规律为主体的科学知识的程序化。

延伸阅读

1910年的一天，德国气象学家魏格纳卧病在床，无事可做，凝望着墙上的世界地图发呆。突然，他发现南大西洋两岸大陆的轮廓线非常相似，南美洲的东海岸和非洲的西海岸好像有一种凸凹的对应关系—一边凸出的部分正好是另一边凹下的部分。他赶忙用纸板剪出地图的形状，果然几乎能严丝合缝地拼接到一块。魏格纳将这原先可能连成一片的特大陆地称为“泛大陆”—后来由于地壳的运动才分离开来。这就是“大陆漂移说”和地球板块动态结构模型的雏形。为了论证这一学说，魏格纳坚持了符合科学规律性的原则，至死都在走着科学知识要合乎规律性的程序化路程。

绘画与保真性科学方法

科学方法不但需要鲜明的主体性与符合科学的规律性，还需要高度的保真性，即以观察和实验以及它们与数学方法的有机结合对研究对象进行量的考察，保证所获实验事实的客观性和可靠性。在这方面，赫歇尔长期观察夜空并进行计算的故事尤为突出。

出生在德国的威廉·赫歇尔是天王星的发现者。1757年，他作为一个音乐爱好者移居英格兰，开始业余从事天文研究。为此，他建造了观测能力越来越强的天文望远镜—这些望远镜在当时是最先进的。1780年，他第一个通过计算天空不同方向星球数的方法，确定了银河系是稍呈扁平状的。之后，他又和妹妹开始了一项长达20年的工作—共同研究出最全面的恒星和星团列表，并通过比较亮度的方法估算出地球与恒星之间的相对距离。他把每一颗恒星的亮度同天狼星（最亮的恒星）进行对比，然后以天狼星的距离作为参照物，计算出每一颗恒星的距离。这种方法一直被沿用到今天。

测量是保证所获实验事实的客观性和可靠性的最为有效的科学方法（如题图）—近现代科学几乎所有方面的发展都是以此为基础的。在近代科学革命第一个高潮中诞生的伟大科学家牛顿就是其中的佼佼者—一个通过测量后的计算确保所获实验事实的客观性和可靠性的真正智者。

牛顿通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律；为太阳中心说提供了强有力的理论支持；在力学上，还阐明了动量和角动量守恒的原理，提出了牛顿运动定律，真正地推动了一场由经典力学统治的科学革命；在数学上，牛顿与莱布尼兹分享了发展出微积分学的荣誉，而他证明的广义二项式定理和所提出的“牛顿法”，也对数学发展做出了贡献。同时，在他的科学生涯中，光学研究也贯穿始终。一个对光色感兴趣的学者（不论从事实验还是理论研究），一般都是既具科学严密性又有艺术直觉性的人。

应该说，牛顿的科学方法具有真正高度的保真性，是观察和实验以及它们与数学方法有机结合的光辉典范。

简而言之，时代在不断进步，科学方法也日新月异，而绘画技巧等艺术方法也在不断地更新—现在人们不但能用计算机进行绘画，而且超大、超强的计算机还能模拟宇宙级别的结构图，解决那些靠人类自身的直接能力所解决不了的难题。愿有志的青年们创造出更新、更巧妙的科学方法，为人类的美好未来服务！

（责任编辑/岳萌）