當繪畫顯現科學儀器

劉夕慶

我們經常會在一些科學畫作中看到對科學儀器、設備的描繪，它們一方面是科學繪畫的有機組成部分——襯托畫面的主體或本身就是畫作的主體;另一方面也是畫家在用形象語言說明繪畫作品的科學性質和學科類別。但有時因為畫家并不是科學專家，也難免在描繪科學儀器時出錯。

測量儀器畫中見

中國已故著名科學家錢學森在談到新技術革命的關鍵技術時曾指出：“……測量技術是關鍵和基礎”。實際上，計量或測量工具與儀器的發明也是人類儀器發展史中最早使用的，包括對時間、空間（長度、角度等）、重量、速度的測量等。

計量儀器儀表發展歷史悠久。公元前1450年，古埃及就有綠石板影鐘用于計量時間;公元前600年至公元前525年，也有用棕櫚葉和鉛垂線記錄夜間時間和特定天體的儀器。而在中國，東漢中期有小型折疊銅質民間測影儀器，蘇頌和韓公謙更是在1088年（北宋時期）制作了天文計時器 —— 天文儀象臺。這是一臺采用民間使用的水車、筒車、桔槔、凸輪和天平秤桿等機械原理，集觀測、演示和報時為一身的“自動化”天文鐘，也被稱為水運儀象臺。

計量是為了更加精確的觀測，但測量是有限度的，最小的儀器不可能小于亞原子——德國物理學家海森堡于1927年提出了著名的“測不準原理”。他認為：一個測量儀器無論再小，它的體積最多可以小到同一個亞原子粒子相當，但卻不能小于亞原子粒子。用這種測量儀器來測量電子的行為時，這種變化相對電子來說，就顯得很大。當測定某個電子在空間的位置時，為了看到這個電子，就必須讓一個光量子從它上面彈回來。而當我們看到這個被彈回的光子時，電子的情況已發生了明顯的變化。

到了現代，隨著X射線、γ射線先后被德國科學家倫琴、法國科學家維拉德（Pal Ulrich Villard）發現，儀器的功能與概念被進一步推向更深的領域，如X光檢查機、線寬檢測儀等儀器，就是采用X射線、γ射線的超強穿透力研發出的先進檢測儀器設備。

1814年，德國物理學家夫瑯和費在測試新制造出的棱鏡時，發現太陽光譜中有許多暗線。在此之前，他在燈光光譜中發現了鈉的譜線，因此，他也希望在太陽中發現這些特征譜線。夫瑯和費將太陽光譜記錄下來，并將發現的暗線用字母標出。這些暗線今天被稱為夫瑯和費線。后來，他又多次觀察月光和行星的反射光，發現其光譜與太陽光譜完全相同。1821年，夫瑯和費第一個用光柵（間隔很小的細絲）作為折射裝置，使太陽光形成了一個更精細的光譜。利用光柵，他試著測定了太陽譜線的波長。

20世紀后，電子技術的發展使各類電子儀器快速產生，如今普及全球的電子計算機，便是從這一時代開始崛起的。同時，隨著工業化程度的不斷提高，各行各業的電子儀器如雨后春筍般地出現，如計量、分析、生物、天文、汽車、電力、石油、化工儀器等。

實驗儀器畫中顯

精確定量是現代科學的特征，牛頓的萬有引力定律使得在他之前的眾多天文學家所觀測到的精確實驗數據得到了完美地統一。1687年，牛頓出版了《自然哲學的數學原理》，為天文學和物理學上的科學革命打上了圓滿的句號。反之，化學革命則要滯后得多。一個重要原因是，化學現象涉及物質的變化，尤其是氣體物質的變化，這使得精確定量非常困難。拉瓦錫認為必須用天平進行精確實驗測定來確定化學理論。

好在18世紀后二三十年里，法國的精密儀器制造業追上了英國的腳步，能夠為化學研究提供所需的工具。拉瓦錫選擇了天平作為精確測量的儀器，把它與熱量計、氣量計共同使用，與計算方法聯系起來，追蹤反應中所出現的數量變化。為拉瓦錫制造天平、溫度計、燃燒設備的是當時知名的科學儀器制作商，因此，他擁有幾乎是當時最精確的天平，精確度達到毫克級。其他人沒有這些儀器，因此難以重復他的實驗。

拉瓦錫對實驗精確測量的高要求，還體現在與數理科學家拉普拉斯的合作上。他們共同測量燃燒和呼吸過程中熱量的釋放，特別是把使用天平進行精確測量的方法應用到水的分解和合成實驗中。

拉瓦錫被稱為“近代化學之父”，而他的夫人不但喜愛搞化學研究，還在繪畫方面很有造詣，拉瓦錫所寫書籍的插畫基本都是他的夫人繪制的。除此之外，夫人還保存著拉瓦錫的實驗記錄，在她去世之前，幾乎能夠還原出拉瓦錫全部的實驗筆記和儀器。

觀測儀器畫中現

儀器儀表能改善、擴展或補充人的官能。人們用感覺器官去看、聽、嘗和觸摸外部事物，而顯微鏡、望遠鏡、聲級計、酸度計、高溫計等儀器儀表可改善和擴展人的這些官能。還有些儀器儀表可以超過人的能力去記錄、計算和計數，如高速照相機、計算機等。在觀測儀器中，最典型的莫過于觀測“最遠最大”天體等的望遠鏡和觀測“最近最小”微生物等的顯微鏡了。

望遠鏡不僅揭露了星體的物理性質，而且從根本上深入揭示了整個宇宙中多種問題的新本質。其中之一是光的性質（因為早期的天文望遠鏡都是可見光學望遠鏡）——后來證明光在物理上屬于一種物質存在形式，愛因斯坦在20世紀初論述了光的波粒二象性本質。經過觀察和測量，光以約30萬千米/秒的速度在宇宙中運行。后來望遠鏡家族又增添了射電望遠鏡等諸多新成員—— γ射線、X射線、紅外線等波段的望遠鏡，宇宙微波背景輻射、類星體、脈沖星和星際分子都是射電望遠鏡發現的。

列文虎克是17世紀的荷蘭顯微鏡學家及微生物學的開拓者。盡管幼年沒有受過正規教育，但由于勤奮及本人特有的天賦，他磨制的透鏡遠遠超過同時代人。他的放大透鏡以及簡單的顯微鏡種類很多，透鏡的材料有玻璃、寶石、鉆石等。其一生磨制了400多個透鏡，有一架簡單的透鏡，其放大率竟達270倍。

他對放大透鏡下所展示的顯微世界非常有興趣，觀察的對象也非常廣泛，有晶體、礦物、植物、動物、微生物、污水等。1674年他開始觀察細菌和原生動物（即他所謂的“非常微小的動物”），并測算了它們的大小。

列文虎克是第一個用放大透鏡儀器看到細菌和原生動物的人。盡管他缺少正規的科學訓練，但他對肉眼看不到的微小世界的細致觀察、精確描述和眾多驚人發現，卻對18世紀和19世紀初期細菌學和原生動物學的研究發展起了奠基作用。他根據用簡單顯微鏡所看到的微生物而繪制的圖像，今天看來依然是正確的。

科學儀器能改善、擴展或補充人的感官功能，因而就會發現人的感覺器官所不能感覺到的東西——這是科學獲得不斷發展的原因之一。上述各類畫作中，記錄了科學史上不同階段科學家利用科學儀器進行科學發現的畫面，它們既是藝術作品，又是科學史話，值得我們欣賞和借鑒。

（責任編輯/岳萌 ?美術編輯/劉強）