科學與藝術：光和顏色

科學與藝術究竟是什麼關係？

先講一位諾貝爾獎獲得者、美國物理學家費曼的小故事。

費曼學畫畫

費曼

費曼的一位藝術家朋友和費曼爭辯。他說，藝術家可以用欣賞的眼光看一朵花有多美，可科學家只會分析，不會欣賞美。費曼說，儘管他的眼光不如藝術家的眼光，但一朵花的美還是能夠欣賞的。另外，他能從這朵花裡看出多得多的東西。他能想象到花裡的細胞，這些細胞裡面的複雜運動也很美。花不僅在釐米尺度很美，在更小的尺度或者內部結構上，也很美。

顯微鏡下的花粉

而且，費曼說，花為了吸引昆蟲來授粉，進化出了色彩。這事就說明，昆蟲能分辨顏色。他又會想到，這些昆蟲的低等動物也知道美嗎？顏色為什麼會引起美感？

這些有趣的問題，這些科學知識，只會讓你對花更有興趣，更有神秘感，甚至敬畏感。

費曼最後說，他無法理解為什麼藝術家會認為科學知識會有損於美呢？只會增進美！

費曼跟他的藝術家朋友爭論了幾次，最後費曼說，你對科學不瞭解，我對藝術也不瞭解。不如，我們互相上課，你教我藝術，我教你科學。結果是，費曼從不會畫畫，到開了幾次畫展，還賣出去了幾幅畫。而那位藝術家朋友在科學上沒有進展。

費曼的畫

費曼這麼做的理由是

，他想傳達一種感情，對美的感情。世界上的事物是那麼的不同，行為也那麼的不同，但在這個表象後面，它們都受著同樣的物理規律支配。這種普遍性，就是一種美。

統一的美

慢，費曼這段話是什麼意思？什麼叫“事物是多麼的不同，行為也是如此的不同”？肯定會有朋友會有疑問。好，我先解釋一下。

比如說，牛頓坐在蘋果下，被蘋果砸了一下。讓蘋果掉下來的力，被牛頓定義為重力。重力是怎麼產生的呢？就是兩兩物體有吸引力，有萬有引力。我們各個物體跟地球之間都有吸引力，物體小，地球大，地球不會被吸走。我們人小，就被地球牢牢吸在地上。

另外一個現象。大家去海邊，經常會看到漲潮、落潮，這也是萬有引力的作用。海水受到了地球的吸引力，被吸在了地球表面，不過地球的附近，還有一顆月球。月球也有吸引力，地球在轉，海面一會兒朝著月球，一會兒背離月球，吸引力一會兒大，一會兒小，所以，海水就有潮起潮落。

在沒有偉大的牛頓誕生之前，大概沒有人會想到蘋果落地和大海潮汐遵從的是同一個規律。這個理論不單單對地球上的物體有效，對整個宇宙都適用。科學家計算天王星的運轉軌跡，發現理論值跟觀測值不一樣，他們想，是不是在天王星的外面還有一顆星星，那顆星星的引力讓天王星的理論值與觀測值不一樣？果然，科學家們根據這個想法，算出了這顆星星的位置，並且觀測到了它。這顆星星就是海王星。

所以，不論物體的大小、遠近，它們都遵從著同一的規律，這確實讓人敬畏，而且有種很深刻的美。

等等，表象又是什麼？

叔本華說：世界是我的表象。

比如，色覺正常的人，看到的是一朵紅花，色盲的人，可能會認為這是一朵棕灰色的花。而要讓鳥來看，也許是一朵藍紫色的花。

人與鳥的世界

在量子物理學家眼裡，則更為可怕，這朵花這些狀態都是同時存在的，只是觀察者不一樣，看到的就不一樣。但不管如何，它們都是同一個東西，都是有著相通的地方。

我們可以用語言來描述世界，也可以用繪畫或者音樂來描述世界，當然也可以用數學或者物理規律來描述。這些描述看著相差很大，但是有相通的地方，因為都是描述的同一個世界，也都是有美的表達，甚至對美的感受也是一樣的。

在古希臘，美的定義中，包括了比例和顏色。

在蘇格拉底之前的古希臘哲學，他們認為世界是一個形式，形式與美是彼此相應的。只是隨著科學的發展，宇宙規律間的規律沒有想象得那麼簡單，連愛因斯坦都不願意承認量子所描繪的看起來破碎、無定型的世界，所以有些人認為科學與美有距離。

雅典神廟

李政道曾經說過：科學與藝術是一枚硬幣的兩面，缺一不可。

楊振寧也說過，他的很多物理直覺來源於對美的感悟，科學工作者要接受美的薰陶。

在藝術領域，其實從沒有排斥科學，就是費曼所說，有了科學，藝術表達更為豐富，科學增進了美。

中國畫和油畫

先看一下兩幅中國畫和兩幅西方油畫。中國畫一幅是《清明上河圖》，一幅是唐寅的《仕女圖》。西洋畫，一幅是達芬奇的《最後的晚餐》，一幅是16世紀提香的《花神》。唐寅跟達芬奇屬於同時代的人。

清明上河圖

唐寅仕女圖

花神

最後的晚餐

可以明顯看出，中國畫，第一大特點是顏色素淨，第二大特點是，沒有立體感，而西洋畫色彩、光影變化的描繪非常多，而且它的畫有立體感，有景深。

為什麼？很多藝術評論家會說，中國畫講究的是神似，而不是形似，是意境。這麼說也沒錯，不過我更傾向於中國的幾何學、光學和生理學的落後，才是我們中國畫畫不出這些東西來。

幾何學在畫畫上的應用

西方的幾何學非常發達，在公元前300年，古希臘的歐幾里得就寫出了《幾何原本》。這是人類歷史上第一個非常完整、嚴謹的科學體系，我們的科學發展一直在歐氏體系中發展，直到19世紀，才有了非歐體系。

不過在15世紀，西方藝術界才發明了透視法。在透視法之前，畫的畫跟中國畫很像，有了透視法，就截然不同，進入新世界大門了。

中國一直沒有透視法，直到17世紀初利瑪竇把《幾何原本》帶到中國，徐光啟跟利瑪竇一起翻譯這本書。有了這本書，我們中國畫也有了透視法。下圖是中國清代畫家焦秉貞畫的山水樓閣。

清代山水畫

“察目視勢，以遠近正邪高下之差，照物狀可畫立圓、立方之度數於平版之上，可遠測物度及真形。畫小，使目視大，畫近，使目視遠，畫圓，視目視球，畫像，有坳凸，畫室，有明暗也。”

《譯幾何原本序》利瑪竇 徐光啟

解剖學在繪畫裡的應用

現代真正的解剖學從文藝復興時起，達芬奇是先驅。他曾經到墓地，去挖屍體進行解剖，對人體的肌肉、骨骼、內臟等都是第一手的詳細瞭解，看他當年的手稿，讓人驚歎。所以到畫畫時，他很容易地就能畫出肌肉的走向和緊張、鬆弛的樣子。

達芬奇解剖手稿

達芬奇的素描

達芬奇，文藝復興時期的最偉大的藝術家，他是個博學的天才，幾乎什麼領域都精通：

繪畫、音樂、建築、數學、幾何學、解剖學、生理學、動物學、植物學、物理學、光學、力學等

不過由於篇幅問題，我先講一下跟光學有關的內容。再講之前，先聊聊光和顏色的基本理論。

光

西方繪畫對於光一直很重視，因為光代表著光明、聖潔和神聖。在光學理論不夠時，那時的西洋畫中的光只是表現了光線。藝術界也在等待著科學的加入。

牛頓

在17世紀，出現了一位科學巨匠，牛頓。有位詩人說：

世界處於黑夜中,

上帝說讓牛頓去吧,

於是一切處於光明中。

牛頓對光進行了研究。牛頓最有名的一本書是《自然哲學的數學原理》，裡面他提出了牛頓三定律，第二本有名的就是《光學》。

牛頓自己製作了三稜鏡、透鏡和望遠鏡。牛頓跟愛因斯坦不太一樣，愛因斯坦的動手能力要弱於理論能力，牛頓的動手能力極強。他的實驗室是劍橋的第一個實驗室。牛頓製作望遠鏡的方法，現在某些地方還在用。

光的分解

牛頓發現白光可以分解成紅橙黃綠青藍紫七個顏色。在牛頓之前，亞里士多德等人都認為光的本色是白色，彩色是特殊色。

牛頓告訴大家，亞里士多德、笛卡爾錯了，彩色是單色，白色是混合色。

牛頓做了光的折射、反射、顏色等很多實驗，他得出一個結論：光是粒子。不過，另外有其他科學家像胡克、惠更斯等提出了不同的概念，認為光是波。現在我們都知道，光是波粒二象性的。

這些知識對於畫家來說，也很有用。我們看這幅磨坊

光的反射

鏡子是一個絕對平坦、拋光，鏡子的背面塗有塗層，讓光全部反射出來。這就是我們照鏡子的原理。我們看安格爾的這幅畫，他畫了伯爵夫人在鏡子中的背影。

安格爾的畫

如果鏡子不平，那就是會變成哈哈鏡，人或變大或變小。

如果光照在不光滑的表面，比如牆壁，光就在各個方向反射出去，稱為漫反射。漫反射的好處是讓我們在不同方向都能看到物體。光照不到的地方就會產生陰影。

光的折射

如果一條小河特別清澈，我們能看到水裡遊動的魚，甚至能看到水底。光從水裡進入空氣，或者從空氣進入水裡，光發生了折射。折射會產生什麼後果呢？我們的經驗，看著一條淺淺的小河，踩進去，發現實際深度比眼睛看到的要深。

白光在折射時，還會發生色散現象。牛頓用三稜鏡把白光分解成彩光，觀察到的就是折射時的色散現象，原因是不同顏色的頻率不一樣，也就是折射率不一樣，因此就分開了。

天上的彩虹也是光的折射，下過雨後，空氣中有水滴，水滴折射光，形成彩虹。彩霞是光的散射，光照在空氣中的微粒分子上，偏離原來的方向。

光還有衍射現象。

光與物體的相互作用

光跟物體主要發生以下幾種作用：

被吸收；

鏡面反射；

漫反射；

折射；

以上情況的組合（散射含有反射和折射）。

如果光照射一個物體，光全部被吸收，那麼這個物體呈現出了黑色。如果一個物體吸收了部分光，散射了其他光，像紅蘋果，吸收了綠光和藍光，散射了紅光，就是紅色的。不過，有些部位相當於鏡面反射，我們看到的是白光。

顏色

顏色分兩種定義，一種叫物理定義，一種叫心理定義。在物理上，一種顏色對應一個波長，也是一個頻率的光波。

心理顏色可以是單個波長，也可以是不同波長的疊加。比如說黃色，可以是純黃色，也可以是紅光和綠光的疊加。這兩種情況在物理上不同，但我們人來看，感覺到的顏色是一樣的。

為此，我們用三個指標來定義顏色：色調、亮度和飽和度。

色調是指看到的顏色。飽和度就是顏色的純度，比如淡色系，純度就低，裡面白色比較多。亮度就是顏色的相對明暗程度。

從心理感覺來說，純黃色的飽和度不如紅色、綠色和藍色顯得飽和度高。這是因為人眼的視錐細胞對黃光的靈敏度跟其他幾個顏色的不一樣。

亮度可以用物理顏色的強度來對應。亮度不能測量，強度可以測量，它與強度的對數成正比。不過，亮度還跟環境的照明有關，還有眼睛對顏色和光強的適應有關。

比如，在黑暗中待幾分鐘，適應了黑暗，再開燈，會覺得暗顏色比沒適應黑暗前要亮。

顏色的產生

顏色究竟是怎樣產生的呢？

跟照明光有關。

蘋果用白光照射，呈現出紅色。如果用藍光照明，就會是黑色。

跟物體的色素有關。

不同的色素吸收和反射不同波長的光，呈現出不同的顏色。像綠色植物就是含有葉綠素，胡蘿蔔含有胡蘿蔔素，呈橙色。

還有跟結構有關。

鳥、蝴蝶、甲蟲身上絢爛的色彩跟它們身體表面的結構有關。蝴蝶的翅膀上有一排排的極小的稜紋，對光進行反射，發生了干涉作用，產生了虹彩。

像肥皂泡、珍珠都會產生虹彩。

繪畫中的加法混色、減法混色

畫家如何來獲得想要的顏色呢？一般用兩種方法，加法混色和減法混色。大部分是減法混色，偶爾用加法混色。

加法混色是用紅、綠、藍三原色相加，來獲得不同的顏色。

像梵高就是用加法混色來表現他的畫作，梵高的色彩極為濃烈、明亮，就是加法混色的效果。減法混合會失去一些強度，但加法混合不會，所以顯得更亮。

還有點彩畫，也是加法混色畫法。

修拉的畫

最常用的是減法混色

。減法混色用常用的三原色是青色、洋紅和黃色。青色吸收紅色，洋紅吸收綠色，黃色吸收藍色。三原色混在一起產生黑色。

我們平常的印刷、油漆和繪畫，用的都是減法混色。

除了光學，還有很多科學技術，像顯微技術、宇宙學、相對論和量子論等

給藝術帶去了新的表達，拓寬了傳統美學的內涵。

科學與藝術都是美的統一。