牛頓的蘋果

〔美〕倫納德·史萊因

神秘的重力

6500萬年前，恐龍稱霸的時代在眨眼間神秘地消失了。一群身上覆著毛發(fā)的哺乳動物開始在這片土地上繁衍生息。在之后的2500萬年里，它們占據(jù)了一切適合生存的區(qū)域，最終達(dá)到了擁擠的程度。于是，一些富有冒險精神的哺乳動物決定離開擁擠的地面，到樹上生活。

他們對新的居所很滿意：樹上食物充足，視野開闊，最重要的是天敵變少了。它們也有了新的名字——靈長類。經(jīng)過一段時間的進(jìn)化，靈長類的前肢變得又長又敏捷，前爪變得極其靈活，眼睛也變得格外敏銳。靈長類的視覺系統(tǒng)優(yōu)于森林中的其他動物，而人類的視覺系統(tǒng)在靈長類中更是居于首位。因為人類研制出了矯正視力的眼鏡，還發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、X光管和紅外夜視鏡等，這些發(fā)明拓展了人類的視界。

可惜的是，靈長類沒有進(jìn)化出翅膀。它們最大的危險不是來自猛獸，而是來自重力。有證據(jù)表明，導(dǎo)致長臂猿死亡最常見的原因是墜落帶來的傷害。靈長類的大腦卻得到了異乎尋常的發(fā)展，所占身體比例越來越大，具備了快速處理與協(xié)調(diào)視覺與觸覺信息的能力。它們需要在瞬間判斷樹枝的強(qiáng)度，并估算飛躍深塹所需的速度。靈長類強(qiáng)有力的手、敏銳的眼睛以及發(fā)達(dá)的大腦，彌補(bǔ)了沒有翅膀的不足。

時至今日，我們不用再到樹上生活，但對墜落的懼怕仍然作為遠(yuǎn)古的集體記憶留在我們的腦海中。人類最常見的心理恐懼類型就是恐高癥。當(dāng)人類處于有可能摔落的危險中時，腎上腺素會分泌到血流中，這是人類從遠(yuǎn)古時代就形成并保留下來的一種本能。

在原始人看來，凡是沒有支撐的東西，都注定會落到地上。這種認(rèn)知引發(fā)了一個問題：到底是什么在支撐著整個世界？對于這個棘手的問題，古代神話提供了許多神奇的解答。例如，古希臘人認(rèn)為大地是由大力神阿特拉斯用肩膀支撐著，至于大力神又站在什么地方，他們就說不出了。所有有關(guān)重力的古老解釋都帶有神秘色彩，因為重力本身就被神秘所籠罩著。

探索重力

不可否認(rèn)，古希臘人為很多知識領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。然而，他們在重力和力學(xué)理論方面的觀點是不準(zhǔn)確的，原因在于他們輕視體力勞動。這些哲學(xué)家不愿意親自進(jìn)行實驗，他們更喜歡坐在大樹下，通過臆想、推理和演繹來解決問題。雖然如此，這也是拋開神話體系，探尋重力本質(zhì)的開端。

在哲學(xué)家開始探討重力之前，古希臘的雕塑師們已經(jīng)對重力有了深刻的認(rèn)識。早在公元前6世紀(jì)，雕塑師們就開始創(chuàng)作不依靠石壁支撐的獨立雕像。從公元前700年到公元前400年，雕塑師們不斷提升自己的技藝，成功地使雕像僅依靠雙腿便能夠穩(wěn)穩(wěn)地站在地面上。他們?nèi)找娓叱募妓嚭透矣谔魬?zhàn)重力的勇氣令人嘆服。

古希臘的建筑師們同樣對重力非常關(guān)注。他們所建造的精美神廟，是繼埃及金字塔之后，體現(xiàn)人類對重力的深刻理解的又一杰作。在建筑學(xué)領(lǐng)域，古羅馬人也一如既往地借鑒并改進(jìn)了古希臘人的成果。他們樂于修建大型建筑，并注重實用性，取得了顯著的成就。在這些建造技術(shù)中，以石拱和水泥技術(shù)最為重要。石拱能夠通過將承載重量的石柱固定在一起來分擔(dān)壓力，而水泥在未凝結(jié)前更易于處理，這為古羅馬人興建靠拱形廊柱支撐、內(nèi)部有宏大空間的巨型圓頂式建筑提供了可能。

在自然界中，拱形結(jié)構(gòu)隨處可見，白蟻冢和風(fēng)化的巖石都可能呈現(xiàn)這種形狀。在中世紀(jì)末期，人們開始興建具有鐘樓的哥特式教堂。哥特式教堂主要有拱頂石、石柱和飛扶壁三種建筑結(jié)構(gòu)，它們使笨重的石材看起來越發(fā)輕盈，從而創(chuàng)造出精巧的空間結(jié)構(gòu)，還能為彩色鑲嵌玻璃窗提供支撐。

文藝復(fù)興時期，人們開始關(guān)注自身所處的現(xiàn)實世界，人文主義者提出了新的觀點，他們認(rèn)為人才是萬物的尺度，而非上帝。這種觀點激發(fā)了人類探索地球環(huán)境的好奇心。在這個時期，藝術(shù)家發(fā)現(xiàn)了透視原理，并借此從靜止的、人類的、腳踏實地的視角來表現(xiàn)世界，而不再像以往那樣從高處俯瞰人世。

哥白尼在發(fā)表《天體運行論》之后，重力又再次引起了人們的關(guān)注。哥白尼重新確定了天體之間的位置關(guān)系，而重力這個來歷不明的力與天體運行之間是如何實現(xiàn)平衡的，卻仍然是個未解之謎。

伽利略使人類對重力的認(rèn)識又邁出了重要的一步。據(jù)傳，為了驗證亞里士多德的“重物下落得比輕物快”這一從未被質(zhì)疑過的論斷，伽利略在1589年從比薩斜塔的陽臺上同時擲下兩個重量不同的鐵球。在場的觀眾驚訝地發(fā)現(xiàn)，兩個鐵球竟然是同時落到地面上的。這一實驗結(jié)果引發(fā)了科學(xué)界的震動，人們意識到，既然亞里士多德的這條結(jié)論是錯誤的，那么他的整個著述也未必可信。隨后，伽利略通過一系列在木制斜面上進(jìn)行的實驗，歸納出了著名的落體定律。這是人類歷史上第一次將下落現(xiàn)象寫進(jìn)了公式。

在對重力的探索上，牛頓做出了決定性的貢獻(xiàn)。有一個關(guān)于牛頓與蘋果的著名傳聞：當(dāng)蘋果墜落的一瞬間，牛頓意識到，將蘋果拉向地面的力也同樣延伸到樹頂，甚至延伸到了天空；這個力也是使月亮維持在圍繞地球的軌道上運行的力。這個看上去十分簡單的想法引發(fā)牛頓總結(jié)出了著名的萬有引力定律。這一定律解釋了為什么月亮不會落到地球上。根據(jù)他的重力公式，兩個在虛空中相隔較遠(yuǎn)的物體可以實現(xiàn)超距離的相互作用，盡管它們之間沒有任何物質(zhì)。想象一下，在宇宙空曠的環(huán)境中放置兩個臺球，彼此相隔數(shù)百萬公里，并且周圍沒有任何大的天體。如果有一位壽命極長的人對這兩個臺球進(jìn)行長期觀察，就會發(fā)現(xiàn)它們在以極其緩慢的速度向?qū)Ψ降姆较蜻\動，直到最后相撞為止。對于這種可以造成毫無關(guān)聯(lián)的無生命物體之間相互吸引的神秘力量，牛頓稱之為重力，亦稱引力。

盡管牛頓明確了萬有引力的作用和規(guī)律，但他并不了解這種力的本質(zhì)，而且他的后繼者也未能揭開這個謎團(tuán)。19世紀(jì)，人們對重力定律的認(rèn)識毫無進(jìn)展，沒有人能夠解釋清楚“地球是靠什么機(jī)制對相隔遙遠(yuǎn)且兩者之間空無一物的月球產(chǎn)生影響的”。科學(xué)家們逐漸接受了“以太說”的觀點，他們相信在物體之間的空間內(nèi)充滿了一種人們無法感知的物質(zhì)——以太，它起到傳遞光和重力的作用。如果沒有以太的存在，人們就無法解釋光何以能夠通過真空傳播，也無法解釋重力何以能夠跨越虛空。

“以太說”在18、19世紀(jì)得到了越來越多的支持，以至于幾乎所有的物理學(xué)家都接受了這一觀點。但是，沒有人能夠找到任何以太存在的證據(jù)。

藝術(shù)中的重力

在科學(xué)家們尚未對重力的概念得出可靠的結(jié)論之前，藝術(shù)家們卻開始逐漸理解并表現(xiàn)重力。雕刻涉及巨大的質(zhì)量，是表現(xiàn)重力的最具代表性的藝術(shù)形式。在中世紀(jì)時期，雕刻的主要方式是浮雕，從重力角度來看，這種雕刻方式非常安全。到了文藝復(fù)興時期，雕像脫離了墻體而獨立存在。面對越來越大、越來越重的獨立雕像，雕刻師們需要憑借直覺和經(jīng)驗來判斷雕像的巨大形體內(nèi)重心的關(guān)鍵位置。

在雕刻藝術(shù)中，有一點非常重要，就是用質(zhì)量取代空間。據(jù)說米開朗琪羅曾告訴一位參觀者，在開始雕刻一件新的作品之前，他會先從石材中想象出雕像最終完成的樣子，然后將多余的石料清除掉。當(dāng)所有多余的石料都被空間所取代后，雕像便完成了。

在牛頓之前的時代，藝術(shù)作品中經(jīng)常出現(xiàn)飛翔的小天使這種形象。在伽利略開始研究重力的本質(zhì)之后，藝術(shù)作品中這些飄逸的形象逐漸變得腳踏實地。當(dāng)萬有引力定律在1687年被發(fā)表時，大多數(shù)繪畫作品中的人物都已穩(wěn)穩(wěn)地“站立”在畫面中。

在科學(xué)家意識到牛頓關(guān)于重力的概念存在一些不足之前，馬奈已經(jīng)開始重新思考重力的觀念——將繪畫作品中的有質(zhì)形體穩(wěn)穩(wěn)地立于地面之上。1863年，在“落選沙龍”展覽中，現(xiàn)代藝術(shù)代表作《草地上的午餐》的旁邊還展出了馬奈另一幅“膽大包天”的作品——《穿斗牛士服裝的維多琳小姐》。這名斗牛士顯然正站在斗牛場上，然而觀者無法從畫面上確定她所處的具體位置。如果觀者運用透視原理，根據(jù)遠(yuǎn)處的斗牛情景進(jìn)行判斷，就會發(fā)現(xiàn)這位女斗士是站在半空中的！大多數(shù)藝術(shù)評論家對馬奈的畫面布局進(jìn)行了批評，認(rèn)為他的處理方式笨拙。事實上，馬奈是一位技巧純熟的畫家，將人物從地面抽離的安排完全是受他自身的藝術(shù)直覺所指引。

馬奈以這種獨特的手法創(chuàng)作了一系列古怪的作品，他通過展示人物不受重力定律約束的形象，暗示了普遍觀念中存在著對重力理解的缺陷。在他的作品《女人與鸚鵡》和《吹笛少年》中，人物站在材質(zhì)不明的支撐面上，而不是堅實的地面上。而在《福利·貝熱爾的吧臺》和《歌劇院的化裝舞會》中，馬奈惡作劇般地在畫面中加入了沒有上半身的人體，只有懸浮著的兩條腿。其中一幅畫中，半身人看起來像是在雜技秋千上，而在另一幅畫中則完全沒有任何支撐物。馬奈以極其精妙的方式違背了藝術(shù)家們自文藝復(fù)興時期以來一直遵守的有關(guān)表現(xiàn)重力的傳統(tǒng)。

與馬奈同時期的莫奈創(chuàng)造了一些表現(xiàn)質(zhì)量、密度和堅實感的新方式。莫奈的印象派繪畫風(fēng)格有一個普遍的特點，即畫中物體與其周圍空間之間沒有明顯的分界。莫奈使物體的邊界逐漸融入周圍的空間之中，從而產(chǎn)生物體質(zhì)量減少的視覺效果。在莫奈的作品中，“亮”也意味著“輕”。在他的作品中，色彩艷麗的區(qū)域常常會有一種失去重力的飄浮感。

莫奈在法國擁有一座小花園。從1899年開始，他以小花園里的一座小橋作為繪畫題材，反復(fù)畫了20年。從畫作中，我們無法確定這座橋的落腳點，因為莫奈沒有描繪橋樁、橋基，觀者只能看到橋體的一部分，它就像懸浮在空中一般。畫到后來，這座橋竟然與周圍明亮的空間融合在一起，產(chǎn)生了失重的感覺。

如果說馬奈和莫奈重新提出了重力的問題，那么真正深入探討這個問題的藝術(shù)家應(yīng)該是塞尚。他給年輕畫家的忠告是“畫你所看到的內(nèi)容，但不是你所看到的物體”。塞尚將自然界的形體簡化為三種基本形狀：圓柱、圓球和圓錐。有趣的是，雖然塞尚沒有把立方體納入自己的基本形狀庫，但他在實際創(chuàng)作中卻經(jīng)常使用。對以往的西方藝術(shù)家來說，決定一幅畫價值的是其構(gòu)圖中形成的物體層次。而對塞尚而言，他表面承認(rèn)歐幾里得的立體幾何學(xué)，其實對它充滿懷疑。塞尚賦予虛空以某種構(gòu)筑力，認(rèn)為它可能影響它所包容的物體。

在表現(xiàn)質(zhì)量、堅實感和致密感方面，有什么能勝過山巒呢？然而，在塞尚的“圣維克托瓦山”系列作品中，這座山峰卻越來越非物質(zhì)化：它似乎逐漸失去了堅硬的性質(zhì)而開始變軟，看起來仿佛即將熔坍的樣子。塞尚將由巖石構(gòu)成的巨大山岳描繪得像是正在與周圍空間發(fā)生相互作用的熔巖。與此同時，山周圍的情況則正好相反，那里的空間顯得很凝重，給人一種稠粥一般的實體感。塞尚通過壓縮空間，讓它與山巒在質(zhì)量上相互反逆。在這個系列的后期作品中，空間擁有了質(zhì)量，而山峰則失去了質(zhì)量。

塞尚改變了藝術(shù)家看待空間與質(zhì)量關(guān)系的方式。他通過藝術(shù)作品告訴世人：空間不再是只供藝術(shù)家表現(xiàn)形體的空虛舞臺，空間會受到其中物體質(zhì)量的影響，而這些物體本身又會被周圍的空間所影響。

為了更好地理解馬奈、莫奈和塞尚在表現(xiàn)重力方面的創(chuàng)新之作，我們需要回溯到20世紀(jì)初物理學(xué)發(fā)生巨大變革的時期。在19世紀(jì)末，這三位畫家打響了質(zhì)疑空間與質(zhì)量關(guān)系的第一槍，而到了20世紀(jì)初，就輪到愛因斯坦來考慮這個問題了。

（本刊編輯部摘自《藝術(shù)與物理學(xué)——時空與光的藝術(shù)觀與物理觀》，吉林人民出版社，內(nèi)容有刪減）