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，它們占據了一切適合生存的區域，最終達到了擁擠的程度。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。經過一段時間的進化，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。靈長類的視覺系統優于森林中的其他動物，而人類的視覺系統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，還發明了望遠鏡、顯微鏡、X光管和紅外夜視鏡等，這些發明拓展了人類的視界。

可惜的是，靈長類沒有進化出翅膀。它們最大的危險不是來自猛獸，而是來自重力。有證據表明，導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展，所占身體比例越來越大，具備了快速處理與協調視覺與觸覺信息的能力。它們需要在瞬間判斷樹枝的強度，并估算飛躍深塹所需的速度。靈長類強有力的手、敏銳的眼睛以及發達的大腦，彌補了沒有翅膀的不足。

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。這種認知引發了一個問題：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，古希臘人為很多知識領域奠定了基礎。然而，他們在重力和力學理論方面的觀點是不準確的，原因在于他們輕視體力勞動。這些哲學家不愿意親自進行實驗，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，探尋重力本質的開端。

在哲學家開始探討重力之前，古希臘的雕塑師們已經對重力有了深刻的認識。早在公元前6世紀，雕塑師們就開始創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穩地站在地面上。他們日益高超的技藝和敢于挑戰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注。他們所建造的精美神廟，是繼埃及金字塔之后，體現人類對重力的深刻理解的又一杰作。在建筑學領域，古羅馬人也一如既往地借鑒并改進了古希臘人的成果。他們樂于修建大型建筑，并注重實用性，取得了顯著的成就。在這些建造技術中，以石拱和水泥技術最為重要。石拱能夠通過將承載重量的石柱固定在一起來分擔壓力，而水泥在未凝結前更易于處理，這為古羅馬人興建靠拱形廊柱支撐、內部有宏大空間的巨型圓頂式建筑提供了可能。

在自然界中，拱形結構隨處可見，白蟻冢和風化的巖石都可能呈現這種形狀。在中世紀末期，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構，它們使笨重的石材看起來越發輕盈，從而創造出精巧的空間結構，還能為彩色鑲嵌玻璃窗提供支撐。

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

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

伽利略使人類對重力的認識又邁出了重要的一步。據傳，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現，兩個鐵球竟然是同時落到地面上的。這一實驗結果引發了科學界的震動，人們意識到，既然亞里士多德的這條結論是錯誤的，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象寫進了公式。

在對重力的探索上，牛頓做出了決定性的貢獻。有一個關于牛頓與蘋果的著名傳聞：當蘋果墜落的一瞬間，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牛頓總結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。根據他的重力公式，兩個在虛空中相隔較遠的物體可以實現超距離的相互作用，盡管它們之間沒有任何物質。想象一下，在宇宙空曠的環境中放置兩個臺球，彼此相隔數百萬公里，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行長期觀察，就會發現它們在以極其緩慢的速度向對方的方向運動，直到最后相撞為止。對于這種可以造成毫無關聯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律，但他并不了解這種力的本質，而且他的后繼者也未能揭開這個謎團。19世紀，人們對重力定律的認識毫無進展，沒有人能夠解釋清楚“地球是靠什么機制對相隔遙遠且兩者之間空無一物的月球產生影響的”?？茖W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充滿了一種人們無法感知的物質——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世紀得到了越來越多的支持，以至于幾乎所有的物理學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。

藝術中的重力

在科學家們尚未對重力的概念得出可靠的結論之前，藝術家們卻開始逐漸理解并表現重力。雕刻涉及巨大的質量，是表現重力的最具代表性的藝術形式。在中世紀時期，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驗來判斷雕像的巨大形體內重心的關鍵位置。

在雕刻藝術中，有一點非常重要，就是用質量取代空間。據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，藝術作品中經常出現飛翔的小天使這種形象。在伽利略開始研究重力的本質之后，藝術作品中這些飄逸的形象逐漸變得腳踏實地。當萬有引力定律在1687年被發表時，大多數繪畫作品中的人物都已穩穩地“站立”在畫面中。

在科學家意識到牛頓關于重力的概念存在一些不足之前，馬奈已經開始重新思考重力的觀念——將繪畫作品中的有質形體穩穩地立于地面之上。1863年，在“落選沙龍”展覽中，現代藝術代表作《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，根據遠處的斗牛情景進行判斷，就會發現這位女斗士是站在半空中的！大多數藝術評論家對馬奈的畫面布局進行了批評，認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直覺所指引。

馬奈以這種獨特的手法創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家們自文藝復興時期以來一直遵守的有關表現重力的傳統。

與馬奈同時期的莫奈創造了一些表現質量、密度和堅實感的新方式。莫奈的印象派繪畫風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，從而產生物體質量減少的視覺效果。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家應該是塞尚。他給年輕畫家的忠告是“畫你所看到的內容，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，但他在實際創作中卻經常使用。對以往的西方藝術家來說，決定一幅畫價值的是其構圖中形成的物體層次。而對塞尚而言，他表面承認歐幾里得的立體幾何學，其實對它充滿懷疑。塞尚賦予虛空以某種構筑力，認為它可能影響它所包容的物體。

在表現質量、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化：它似乎逐漸失去了堅硬的性質而開始變軟，看起來仿佛即將熔坍的樣子。塞尚將由巖石構成的巨大山岳描繪得像是正在與周圍空間發生相互作用的熔巖。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，讓它與山巒在質量上相互反逆。在這個系列的后期作品中，空間擁有了質量，而山峰則失去了質量。

塞尚改變了藝術家看待空間與質量關系的方式。他通過藝術作品告訴世人：空間不再是只供藝術家表現形體的空虛舞臺，空間會受到其中物體質量的影響，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、莫奈和塞尚在表現重力方面的創新之作，我們需要回溯到20世紀初物理學發生巨大變革的時期。在19世紀末，這三位畫家打響了質疑空間與質量關系的第一槍，而到了20世紀初，就輪到愛因斯坦來考慮這個問題了。

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