第四讲：缪斯的使者.ppt

物理与艺术(Art&Physics),南京航空航天大学理学院,施大宁,shi,第四讲缪斯的使者：达芬奇/牛顿,达芬奇与牛顿牛顿的力学体系达芬奇与其作品欣赏,F=ma,科学使全世界得以交流知识，而艺术则是一切科学的皇后。LeonardodaVinci(1452-1519),在解释大自然的表现时，我们只应当允许既真实而又充分的理由存在。IsaacNewton(1642-1727),17世纪的天才,15世纪的天才,单亲家庭中长大,相信数学是人类思维的最高形式,“如果你是一个人，你便完全属于自己。哪怕只有一个人相伴，你就只有一半属于自己；.如果有不止一个人在周围，你可就更深地陷入绝境了。”,高度的敏感,幻想的天性,“我看不出公众的敬意有什么值得企求的。如果真的得到了它和保持住它，我可能会得到更多的相知，但我确实无意于此。”,达芬奇通过观察的手段解读世界,牛顿通过思考的手段解读世界,两者都是光的研究先驱,孤独的性格,几乎没有朋友,一、达芬奇与牛顿,1452-1519,1642-1727,一、达芬奇与牛顿,达芬奇研究光的构成和性质的手稿,牛顿的光色散实验,各自都有旗鼓相当的对手,达芬奇,米开朗琪罗,牛顿,莱布尼兹,两者都用“秘密符号”写作,达芬奇用代码和“镜像法”作笔记,牛顿用密码作记录和保留实验结果,一、达芬奇与牛顿,直升飞机，降落伞，潜水艇，坦克.,反射望远镜，二项式定理，微积分，万有引力.,达芬奇以绘画表达他的发现,牛顿以方程表达他的发现,两者都对自然界“运动”感兴趣,达芬奇研究了人的肌肉运动，骏马的奔驰和候鸟的翱翔，奠定解剖学基础。,牛顿发现了物体运动三大定律和万有引力的平方反比关系定律。,一、达芬奇与牛顿,“Allmovementtendstomaintenance,orratherallmovedbodiescontinuetomoveaslongastheimpressionoftheforceoftheirmotors(originalimpetus)remainsinthem,”,“Everybodycontinuesinitsstateofrest,orofuniformmotioninastraightline,unlessitiscompelledtochangethatstatebyforcesimpresseduponit.”,(Newtonsfirstlawofmotion),(PrincipleofLeonardo),一、达芬奇与牛顿,一、达芬奇与牛顿,“两物体相互作用时，作用力与反作用力大小相等，方向相反，而且在一条直线上。”,“物体对空气施加的压力就像空气对身体施加的压力一样。”,(达芬奇对鸟研究的笔记),(牛顿运动第三定律),早200年,视网膜成像（反像）观点,暗箱（cameraobscura）原理,研究水面上的油膜,光强的测量,日食和月蚀的几何学,眼镜和透镜,第一个指出光的传播是一种波动,“石头投进水里，就会以自己为中心，形成一个个圆圈；声音在空气中以圆形传播。同样地，位于光气中的任何物体也会形成一个个圆，并使周围的空间充满无数自己的类似体，如是进行下去进入各个地方。”,一、达芬奇与牛顿,“宇宙中的所有的事物都是以波动形式传播的。”,一、达芬奇与牛顿,天才中的“全才”,天才中的“专才”,对音乐“充耳不闻”；看绘画是“雕虫小技”；视雕塑为“金石玩偶”说诗歌是“优美的胡扯”,“那个太阳是不动的”,赫胥黎评价：“作为巨人他无与伦比；作为凡人他无甚可取。”（Asamanhewasafailure,asamonsterhewassuperb）,毕达哥拉斯一直宣称自然界是由一些完美的形状组成的。,在哥白尼的天体运行模型中，天体的运动始终处在一个又一个球体表面上，为了解释已有的天文观测数据，必须用“圆上加圆”的方法（本轮）修正哥白尼的轨道。,柏拉图继承毕达哥拉斯学派的观点，并指出物质世界是由一小组完美的，理想的几何形状构成的(thefivePlatonicsolids)。,完美形式=真实,美,平等,二、牛顿的力学体系,古希腊的科学宗旨,正是亚里士多德在此纯几何系统中加入球体，因为他观察天空中的太阳，月亮的形状和它们的运动都是球体。,毕达哥拉斯+柏拉图+亚里士多德+欧几里德(numbers)(ideal)(logic)(definitions&laws),但是，圆锥曲线（椭圆，抛物线，双曲线）被忽略了。,二、牛顿的力学体系,圆锥曲线“冬眠”了1500年，它的重要性直到14世纪的艺术家乔托和其他透视学家（画家，建筑学家等）才被从新唤醒。.,画家的画布平面就是一个圆锥剖面，该圆锥是以观赏者的眼睛为锥点的视角面。,如果一个观赏者不是垂直于画面，则一个圆看起来就是一个椭圆这就是透视学所达到的效果。,二、牛顿的力学体系,乔托之后250年,出生于丹麦的天文学家第谷（TychoBrahe）,二十年如一日精确地测量和记录了行星的运行轨道。,第谷(TychoBrahe1546-1601)Themanwiththegoldennose,二、牛顿的力学体系,丹麦贵族，拥有王室天文台，托勒密的忠实信徒，但酷爱科学，被称为天文学泰斗，近代天文学始祖。,JohannesKepler(1571-1630),第谷从不相信哥白尼体系，当他去世时，把毕生的天文观测资料传给了他的学生，德国天文学家开普勒（JohannesKepler）。,与第谷不同的是，开普勒坚定地相信哥白尼的日心说，但他不能解释为什么行星的圆周轨道与第谷的天文观测结果不同。他相信老师的观测，更倾向于从理论上思考问题。,最终，他放弃了自己七十余次“圆上家圆”的方法构造的火星轨道曲线，放弃了匀速圆周运动这个一向为人们所钟爱的古老信念，建立了行星运动三定律。,二、牛顿的力学体系,我曾测量过天空，而现在测量幽冥，灵魂飞向天国，肉体安息土中。墓志铭，自撰,开普勒行星运动三定律：,.行星沿椭圆轨道绕太阳运动，太阳位于椭圆的一个焦点上。,.对任一个行星说，它的矢径在相等的时间内扫过相等的面积。,.行星绕太阳运动轨道长半轴R的立方与周期T的平方成正比。,二、牛顿的力学体系,牛顿万有引力定律,引力定律的建立：,二、牛顿的力学体系,二、牛顿的力学体系,哈雷（E.Halley,16561742）,1758年哈雷彗星重返地球,二、牛顿的力学体系,1846年,1930年,在我笔尖上,二、牛顿的力学体系,木兰花慢送月（辛弃疾，11401207）可怜今夕月，向何处、去悠悠？是别有人间，那边才见，光影东头？是天外空汗漫，但长风、浩浩送中秋？飞镜无根谁系？嫦娥不嫁谁留？,飞镜无根引力系，嫦娥不嫁速度留牛顿,飞镜“本”无根，嫦娥“空”自留爱因斯坦,引力场与暗物质,二、牛顿的力学体系,二、牛顿的力学体系,二、牛顿的力学体系,星月夜（凡高，1889）,引力场与暗物质,二、牛顿的力学体系,自然哲学的数学原理(1687),上帝不再被认为是自然世界的积极参与者，充其量只不过是一个伟大的设计者。,欧几里德几何学+亚里士多德的逻辑+伽利略的科学方法,牛顿的经典力学体系,二、牛顿的力学体系,“自然科学的圣经”,自然及其规律隐藏在黑暗中，上帝说，让牛顿去吧，于是一切都已明朗！英国诗人蒲伯（Pope，1688-1744）,二、牛顿的力学体系,天不降牛顿，万古如长夜。,二、牛顿的力学体系,牛顿：天才中的天才（Newton,quigenushumanumingeniosuperavit）,培根弥尔顿拜伦达尔文麦克思韦开尔文罗素阿兰图灵还有，79位诺贝尔奖获得者.,空间,时间,均匀（Uniform）连续（Continuous）同质（Homogenous）空（Empty），,线性的,过去现在未来,同时性的绝对性,数学表达?,二、牛顿的力学体系,伽利略变换：,S/系:（x/,y/,z/),S系:（x,y,z),二、牛顿的力学体系,经典时空观,二、牛顿的力学体系,时间，空间，质量是绝对的，与参照系无关。,二、牛顿的力学体系,牛顿的绝对时间和空间：,Absolute,True,andMathematicalTime,ofitself,andfromitsownnature,flowsequablywithoutanyregardtoanythingexternal.PrincipiaVol.1,p.6,Absolutespace,initsownnature,withoutregardtoanythingexternal,remainsalwayssimilarandimmovable.Principia,Vol.1p.6,二、牛顿的力学体系,艺术表达？,当乔托创作金门相遇和犹大之吻时，他具有这样一个信念，即：他所抓住事件的这一瞬间，对世界上每一个人都是“同时”的。,在以后的600年历史长河中，艺术家们都具有如此信念。,这个信念对科学家和艺术家都是“天经地义”的。,“同时性”的绝对性,二、牛顿的力学体系,经典物理学的基础：绝对时空,古典美术的经久范式：透视原理,经典物理与艺术绝对时空,二、牛顿的力学体系,牛顿也有失误，但牛顿的成就远大于他的错误.,威明斯特修道院牛顿的墓碑：,natureoflight,alchemy,mintingmoney,gravitylawsofmotion,reflectingtelescope,“他是人类真正的骄傲，让我们为之欢呼吧”,光的本性:波还是粒子?,惠更斯1629-1695,牛顿1642-1727,二、牛顿的力学体系,法国的启蒙主义运动：,伏尔泰（Voltaire1694-1778）,狄更罗（DenisDiderot1713-1784）,自由、博爱、平等,二、牛顿的力学体系,卢梭（Rousseau1712-1778）,三、达芬奇与其作品欣赏,.不论过去还是现在，人类从不曾发掘出如此多采丰富的才艺。这位文艺复兴时期的画家，在绘画史上留下了最伟大的杰作。除了艺术之外，他对所有的学识领域也都有所涉猎。预测出时代发展的潮流，甚至领先几个世纪。他的画作充分显示出对大自然敏锐的观察力，对人物内在细微情感的刻画，以及表现光与影种种变化的技巧，达芬奇确实将绘画的写实主义推向了不可企及的高峰。,1452出生1467从师于委罗基奥1472第一幅画作圣告图1495最后的晚餐1503蒙娜丽莎1519逝世于法国,三、达芬奇与其作品欣赏,基督受洗（委罗基奥，1470年）,他：歌喉出众，体魄健壮，俊美绝伦，数学优异，,三、达芬奇与其作品欣赏,蒙娜丽莎1503,77*53,三、达芬奇与其作品欣赏,满怀敬畏的观光者只能在攒动的人头中透过玻璃欣赏她的尊容，试图去理解这“注入了生命”的艺术极品对她所有理解的企图都是徒劳的，这是一幅只能默默凝视的作品,优美、温柔的双眼带着深不可测的意味看向前方。,荒凉的风景散发神秘而动人气息。表达作者探索自然的欲望。,嘴角左右不太匀称均衡，嘴唇的轮廓也不清晰，光与影的微妙结合，带来神秘的微笑。,幽雅的双手，使身体形成一个稳定的三角形构图，并引导观者视线的转动，使画面静中求动。,三、达芬奇与其作品欣赏,三、达芬奇与其作品欣赏,人眼的视网膜具有两个不同的区域，中心的小凹区善于分辨彩色和细节，环绕小凹区的外围区对彩色和细节不敏感，却善于辨别运动和阴影。,因此，微笑的时隐时现，是人们视线在画面上游离所致。,三、达芬奇与其作品欣赏,贝尔实验室的施瓦茨（L.Schwartz）女士，将蒙娜丽莎和达芬奇的自画像分别数字化，各取一半再拼合起来，于是得到一个惊人的结果：蒙娜丽莎，原来达芬奇画的就是自己。,蒙娜列奥纳多,切奇利亚加勒拉妮1490,三、达芬奇与其作品欣赏,忧郁的双眼似乎在看什么？在渴求什么？美貌和丰富的内涵是否都被压抑？,这是大师惟一一幅没有背景的作品，作者似乎也失去探索它的勇气和兴趣，或者不知所措。,嘴角淡淡的笑意给我的感觉是内心的不平衡,吉内弗拉德本齐约1474,三、达芬奇与其作品欣赏,阴忧的目光只好越过我们的肩膀；眼睑在目上投下的暗影拒绝与我们沟通；嘴唇敏感的曲线现出毫不迁就的不悦。,荒寒的池水、如烟的薄雾、幽暗的树木、止水中的倒影，尖利的杜松，映衬这位自我专注和尖刻的女子。她好像在挑战画家的关注。,乳白色虚幻的风景是