牛顿的苹果

〔美〕伦纳德·史莱因

神秘的重力

6500万年前，恐龙称霸的时代在眨眼间神秘地消失了。一群身上覆着毛发的哺乳动物开始在这片土地上繁衍生息。在之后的2500万年里，它们占据了一切适合生存的区域，最终达到了拥挤的程度。于是，一些富有冒险精神的哺乳动物决定离开拥挤的地面，到树上生活。

他们对新的居所很满意：树上食物充足，视野开阔，最重要的是天敌变少了。它们也有了新的名字——灵长类。经过一段时间的进化，灵长类的前肢变得又长又敏捷，前爪变得极其灵活，眼睛也变得格外敏锐。灵长类的视觉系统优于森林中的其他动物，而人类的视觉系统在灵长类中更是居于首位。因为人类研制出了矫正视力的眼镜，还发明了望远镜、显微镜、X光管和红外夜视镜等，这些发明拓展了人类的视界。

可惜的是，灵长类没有进化出翅膀。它们最大的危险不是来自猛兽，而是来自重力。有证据表明，导致长臂猿死亡最常见的原因是坠落带来的伤害。灵长类的大脑却得到了异乎寻常的发展，所占身体比例越来越大，具备了快速处理与协调视觉与触觉信息的能力。它们需要在瞬间判断树枝的强度，并估算飞跃深堑所需的速度。灵长类强有力的手、敏锐的眼睛以及发达的大脑，弥补了没有翅膀的不足。

时至今日，我们不用再到树上生活，但对坠落的惧怕仍然作为远古的集体记忆留在我们的脑海中。人类最常见的心理恐惧类型就是恐高症。当人类处于有可能摔落的危险中时，肾上腺素会分泌到血流中，这是人类从远古时代就形成并保留下来的一种本能。

在原始人看来，凡是没有支撑的东西，都注定会落到地上。这种认知引发了一个问题：到底是什么在支撑着整个世界？对于这个棘手的问题，古代神话提供了许多神奇的解答。例如，古希腊人认为大地是由大力神阿特拉斯用肩膀支撑着，至于大力神又站在什么地方，他们就说不出了。所有有关重力的古老解释都带有神秘色彩，因为重力本身就被神秘所笼罩着。

探索重力

不可否认，古希腊人为很多知识领域奠定了基础。然而，他们在重力和力学理论方面的观点是不准确的，原因在于他们轻视体力劳动。这些哲学家不愿意亲自进行实验，他们更喜欢坐在大树下，通过臆想、推理和演绎来解决问题。虽然如此，这也是抛开神话体系，探寻重力本质的开端。

在哲学家开始探讨重力之前，古希腊的雕塑师们已经对重力有了深刻的认识。早在公元前6世纪，雕塑师们就开始创作不依靠石壁支撑的独立雕像。从公元前700年到公元前400年，雕塑师们不断提升自己的技艺，成功地使雕像仅依靠双腿便能够稳稳地站在地面上。他们日益高超的技艺和敢于挑战重力的勇气令人叹服。

古希腊的建筑师们同样对重力非常关注。他们所建造的精美神庙，是继埃及金字塔之后，体现人类对重力的深刻理解的又一杰作。在建筑学领域，古罗马人也一如既往地借鉴并改进了古希腊人的成果。他们乐于修建大型建筑，并注重实用性，取得了显著的成就。在这些建造技术中，以石拱和水泥技术最为重要。石拱能够通过将承载重量的石柱固定在一起来分担压力，而水泥在未凝结前更易于处理，这为古罗马人兴建靠拱形廊柱支撑、内部有宏大空间的巨型圆顶式建筑提供了可能。

在自然界中，拱形结构随处可见，白蚁冢和风化的岩石都可能呈现这种形状。在中世纪末期，人们开始兴建具有钟楼的哥特式教堂。哥特式教堂主要有拱顶石、石柱和飞扶壁三种建筑结构，它们使笨重的石材看起来越发轻盈，从而创造出精巧的空间结构，还能为彩色镶嵌玻璃窗提供支撑。

文艺复兴时期，人们开始关注自身所处的现实世界，人文主义者提出了新的观点，他们认为人才是万物的尺度，而非上帝。这种观点激发了人类探索地球环境的好奇心。在这个时期，艺术家发现了透视原理，并借此从静止的、人类的、脚踏实地的视角来表现世界，而不再像以往那样从高处俯瞰人世。

哥白尼在发表《天体运行论》之后，重力又再次引起了人们的关注。哥白尼重新確定了天体之间的位置关系，而重力这个来历不明的力与天体运行之间是如何实现平衡的，却仍然是个未解之谜。

伽利略使人类对重力的认识又迈出了重要的一步。据传，为了验证亚里士多德的“重物下落得比轻物快”这一从未被质疑过的论断，伽利略在1589年从比萨斜塔的阳台上同时掷下两个重量不同的铁球。在场的观众惊讶地发现，两个铁球竟然是同时落到地面上的。这一实验结果引发了科学界的震动，人们意识到，既然亚里士多德的这条结论是错误的，那么他的整个著述也未必可信。随后，伽利略通过一系列在木制斜面上进行的实验，归纳出了著名的落体定律。这是人类历史上第一次将下落现象写进了公式。

在对重力的探索上，牛顿做出了决定性的贡献。有一个关于牛顿与苹果的著名传闻：当苹果坠落的一瞬间，牛顿意识到，将苹果拉向地面的力也同样延伸到树顶，甚至延伸到了天空；这个力也是使月亮维持在围绕地球的轨道上运行的力。这个看上去十分简单的想法引发牛顿总结出了著名的万有引力定律。这一定律解释了为什么月亮不会落到地球上。根据他的重力公式，两个在虚空中相隔较远的物体可以实现超距离的相互作用，尽管它们之间没有任何物质。想象一下，在宇宙空旷的环境中放置两个台球，彼此相隔数百万公里，并且周围没有任何大的天体。如果有一位寿命极长的人对这两个台球进行长期观察，就会发现它们在以极其缓慢的速度向对方的方向运动，直到最后相撞为止。对于这种可以造成毫无关联的无生命物体之间相互吸引的神秘力量，牛顿称之为重力，亦称引力。

尽管牛顿明确了万有引力的作用和规律，但他并不了解这种力的本质，而且他的后继者也未能揭开这个谜团。19世纪，人们对重力定律的认识毫无进展，没有人能够解释清楚“地球是靠什么机制对相隔遥远且两者之间空无一物的月球产生影响的”。科学家们逐渐接受了“以太说”的观点，他们相信在物体之间的空间内充满了一种人们无法感知的物质——以太，它起到传递光和重力的作用。如果没有以太的存在，人们就无法解释光何以能够通过真空传播，也无法解释重力何以能够跨越虚空。

“以太说”在18、19世纪得到了越来越多的支持，以至于几乎所有的物理学家都接受了这一观点。但是，没有人能夠找到任何以太存在的证据。

艺术中的重力

在科学家们尚未对重力的概念得出可靠的结论之前，艺术家们却开始逐渐理解并表现重力。雕刻涉及巨大的质量，是表现重力的最具代表性的艺术形式。在中世纪时期，雕刻的主要方式是浮雕，从重力角度来看，这种雕刻方式非常安全。到了文艺复兴时期，雕像脱离了墙体而独立存在。面对越来越大、越来越重的独立雕像，雕刻师们需要凭借直觉和经验来判断雕像的巨大形体内重心的关键位置。

在雕刻艺术中，有一点非常重要，就是用质量取代空间。据说米开朗琪罗曾告诉一位参观者，在开始雕刻一件新的作品之前，他会先从石材中想象出雕像最终完成的样子，然后将多余的石料清除掉。当所有多余的石料都被空间所取代后，雕像便完成了。

在牛顿之前的时代，艺术作品中经常出现飞翔的小天使这种形象。在伽利略开始研究重力的本质之后，艺术作品中这些飘逸的形象逐渐变得脚踏实地。当万有引力定律在1687年被发表时，大多数绘画作品中的人物都已稳稳地“站立”在画面中。

在科学家意识到牛顿关于重力的概念存在一些不足之前，马奈已经开始重新思考重力的观念——将绘画作品中的有质形体稳稳地立于地面之上。1863年，在“落选沙龙”展览中，现代艺术代表作《草地上的午餐》的旁边还展出了马奈另一幅“胆大包天”的作品——《穿斗牛士服装的维多琳小姐》。这名斗牛士显然正站在斗牛场上，然而观者无法从画面上确定她所处的具体位置。如果观者运用透视原理，根据远处的斗牛情景进行判断，就会发现这位女斗士是站在半空中的！大多数艺术评论家对马奈的画面布局进行了批评，认为他的处理方式笨拙。事实上，马奈是一位技巧纯熟的画家，将人物从地面抽离的安排完全是受他自身的艺术直觉所指引。

马奈以这种独特的手法创作了一系列古怪的作品，他通过展示人物不受重力定律约束的形象，暗示了普遍观念中存在着对重力理解的缺陷。在他的作品《女人与鹦鹉》和《吹笛少年》中，人物站在材质不明的支撑面上，而不是坚实的地面上。而在《福利·贝热尔的吧台》和《歌剧院的化装舞会》中，马奈恶作剧般地在画面中加入了没有上半身的人体，只有悬浮着的两条腿。其中一幅画中，半身人看起来像是在杂技秋千上，而在另一幅画中则完全没有任何支撑物。马奈以极其精妙的方式违背了艺术家们自文艺复兴时期以来一直遵守的有关表现重力的传统。

与马奈同时期的莫奈创造了一些表现质量、密度和坚实感的新方式。莫奈的印象派绘画风格有一个普遍的特点，即画中物体与其周围空间之间没有明显的分界。莫奈使物体的边界逐渐融入周围的空间之中，从而产生物体质量减少的视觉效果。在莫奈的作品中，“亮”也意味着“轻”。在他的作品中，色彩艳丽的区域常常会有一种失去重力的飘浮感。

莫奈在法国拥有一座小花园。从1899年开始，他以小花园里的一座小桥作为绘画题材，反复画了20年。从画作中，我们无法确定这座桥的落脚点，因为莫奈没有描绘桥桩、桥基，观者只能看到桥体的一部分，它就像悬浮在空中一般。画到后来，这座桥竟然与周围明亮的空间融合在一起，产生了失重的感觉。

如果说马奈和莫奈重新提出了重力的问题，那么真正深入探讨这个问题的艺术家应该是塞尚。他给年轻画家的忠告是“画你所看到的内容，但不是你所看到的物体”。塞尚将自然界的形体简化为三种基本形状：圆柱、圆球和圆锥。有趣的是，虽然塞尚没有把立方体纳入自己的基本形状库，但他在实际创作中却经常使用。对以往的西方艺术家来说，决定一幅画价值的是其构图中形成的物体层次。而对塞尚而言，他表面承认欧几里得的立体几何学，其实对它充满怀疑。塞尚赋予虚空以某种构筑力，认为它可能影响它所包容的物体。

在表现质量、坚实感和致密感方面，有什么能胜过山峦呢？然而，在塞尚的“圣维克托瓦山”系列作品中，这座山峰却越来越非物质化：它似乎逐渐失去了坚硬的性质而开始变软，看起来仿佛即将熔坍的样子。塞尚将由岩石构成的巨大山岳描绘得像是正在与周围空间发生相互作用的熔岩。与此同时，山周围的情况则正好相反，那里的空间显得很凝重，给人一种稠粥一般的实体感。塞尚通过压缩空间，让它与山峦在质量上相互反逆。在这个系列的后期作品中，空间拥有了质量，而山峰则失去了质量。

塞尚改变了艺术家看待空间与质量关系的方式。他通过艺术作品告诉世人：空间不再是只供艺术家表现形体的空虚舞台，空间会受到其中物体质量的影响，而这些物体本身又会被周围的空间所影响。

为了更好地理解马奈、莫奈和塞尚在表现重力方面的创新之作，我们需要回溯到20世纪初物理学发生巨大变革的时期。在19世纪末，这三位画家打响了质疑空间与质量关系的第一枪，而到了20世纪初，就轮到爱因斯坦来考虑这个问题了。

（本刊编辑部摘自《艺术与物理学——时空与光的艺术观与物理观》，吉林人民出版社，内容有删减）