物理与艺术第10讲：量子风云录

1、物理与艺术物理与艺术(Art & Physics)南京航空航天南京航空航天大学理学院大学理学院施大宁施大宁http:/ 物质结构物质结构 量子图像量子图像 抽象派艺术抽象派艺术 第十讲第十讲 量子风云录量子风云录：量子图景量子图景 / 抽象主义抽象主义对对量子理论不感到吃惊的人根量子理论不感到吃惊的人根本就没有真正理解它。本就没有真正理解它。 玻尔玻尔（Niels Bohr ，1885-1962）艺术艺术并不描绘可见的东西，而并不描绘可见的东西，而是把不可见的东西创造出来。是把不可见的东西创造出来。 克利克利（Paul Klee ，1879-1940）“一尺之捶，日取其半，万世不竭一尺

2、之捶，日取其半，万世不竭” 庄子庄子1830年道尔顿年道尔顿（John Dalton，1766-1844）的的科学原子论科学原子论 对微观世界科学认识的开端对微观世界科学认识的开端 德漠克利特德漠克利特( (Democritus）的）的哲学原子论哲学原子论 古希腊哲学第一个伟大时期的最高峰。古希腊哲学第一个伟大时期的最高峰。1867年门捷列夫年门捷列夫（D.I. Mendeleev 1836-1907 ）的的元素周期律元素周期律门捷列夫门捷列夫世纪之交三大发现：世纪之交三大发现：X X射线射线（18951895）第一位诺贝尔奖获得者第一位诺贝尔奖获得者伦琴伦琴（W.K. Roentgen, 1

3、8451923 ) 死与火死与火（克利，（克利，1940）“我们四周的客观我们四周的客观世界并不是惟一可世界并不是惟一可能的世界，还有其能的世界，还有其他的世界，潜在着他的世界，潜在着。” 放射性放射性（1896）“建造一切化学元素的物质。建造一切化学元素的物质。”电子的发现电子的发现（1897）e / m=1011图像：图像：一个带电的微小粒子一个带电的微小粒子汤汤姆逊姆逊（J.J. Thomson，1856-1940 ）下下一个待解决的问题是原子结构：一个待解决的问题是原子结构：经典经典的蛋糕葡萄干模型的蛋糕葡萄干模型:卢卢瑟福散射实验瑟福散射实验矛盾！矛盾！卢卢瑟福瑟福（Ernest R

4、utherford，1871-1937）氢原子线状光谱氢原子线状光谱:A3645.7B ,422 nnB 1913年玻尔年玻尔的氢原子量的氢原子量子理论：电子理论：电子运动子运动轨道轨道的的“量子化量子化”玻尔玻尔（N. Bohr, 1885-1962）亲自设计的家徽亲自设计的家徽纽曼纽曼（Barnett Newman ，1905-1970）的的“Zip”风格绘画风格绘画纽曼绘画的标示物。纽曼绘画的标示物。 不知道纽曼自己是否理解他的不知道纽曼自己是否理解他的“拉链拉链”，至少他的表现形式受，至少他的表现形式受到了艺术界和观赏者的认同。到了艺术界和观赏者的认同。 在艺术评论家那里，这道在艺术评

5、论家那里，这道“拉链拉链” 经常被比作上帝原初的创造经常被比作上帝原初的创造行为；被比作光明与黑暗的分离；被比作亚当的形体等等行为；被比作光明与黑暗的分离；被比作亚当的形体等等 崇高的半人半神（崇高的半人半神（Vir Heroicus Sublimus） （1951)红、黄、蓝红、黄、蓝(1957)第三第三 (1962)纽曼的绘画让人感受到色彩的张力，试图通过对色彩的分析来表纽曼的绘画让人感受到色彩的张力，试图通过对色彩的分析来表现对自然和精神的敬畏。现对自然和精神的敬畏。 天堂天堂 (1951)亚当亚当 (1951)夏娃夏娃 (1950)第一天第一天 (1970)物质的波物质的波粒二重性粒二

6、重性光辐射光辐射的量子化的量子化光传播光传播的量子化的量子化不确定不确定原理原理物质波物质波的方程的方程物质波物质波的解释的解释原子结构原子结构的量子化的量子化德布罗意大胆假设：德布罗意大胆假设：任任何实物粒子都具有波粒何实物粒子都具有波粒二重性。二重性。hE /hP 粒子性粒子性波动性波动性德布罗意德布罗意（Louis de Broglie, 1892-1987 ）圆柱就是圆柱就是“圆柱圆柱”波动性波动性作用特征作用特征传播特征传播特征光子就是光子就是“光子光子”人们经常使用人们经常使用“双重影象双重影象”来来帮助理解帮助理解微观粒子波粒二重性微观粒子波粒二重性少女？少女？老妇？老妇？巨人时

7、代巨人时代（马格里特，（马格里特，1928）矛盾的组合体：矛盾的组合体：男人还是女人？男人还是女人？遭袭还是被袭？遭袭还是被袭？是躯体还是头颅？是躯体还是头颅？ 马格里特在许多作品中惯用的表现手法马格里特在许多作品中惯用的表现手法“矛盾的组合体矛盾的组合体”浮现在海岸边的面孔与水果盘浮现在海岸边的面孔与水果盘（达利，（达利，1938）达利在许多作品中惯用的表现手法达利在许多作品中惯用的表现手法“双重影象双重影象”G KU5102015250IU戴维孙戴维孙-革末实验革末实验戴维森戴维森与革末革末(C.J.Davisson,1881-1958) (L.H.Germer,1896-1971) 汤汤

8、姆逊姆逊（G.P. Thomson，1892-1975）歌歌（诺兰，（诺兰，1958）靶子和四张脸靶子和四张脸（约翰（约翰斯，斯，1955）靶子靶子（约翰斯，（约翰斯，1955）方块上的同心圆方块上的同心圆（康定斯基，（康定斯基，1913）方块上的同心圆方块上的同心圆（康定斯基，（康定斯基，1913）波粒二重性导致粒子轨道波粒二重性导致粒子轨道不确定性不确定性缝缝衍射图样衍射图样hpxx不确定原理：不确定原理：htE海森伯海森伯（Werner Karl Heisenberg， 1901-1976）颜色？颜色？数目？数目？庄园庄园（局部，（局部，康斯特布尔，康斯特布尔，18161816） 康斯特

9、布尔康斯特布尔（J.Constable，1776-1837)和和透纳透纳（J.M.W. Turner, 1775-1851)是英国同时是英国同时代、最具有创造力的代、最具有创造力的风景画大师。风景画大师。这是一个确定的世界这是一个确定的世界船抵威尼斯船抵威尼斯（透纳，（透纳，18431843） 无视的现实无视的现实莫测的变化莫测的变化光色的魅力光色的魅力模糊的世界模糊的世界量子方程最终确定粒子在量子方程最终确定粒子在空间出现的几率空间出现的几率薛定谔薛定谔 (Erwin Schrodinger,1887-1961) 玻恩玻恩 (M. Born 1882-1970) 微观粒子满足的波动方程微观粒

10、子满足的波动方程薛定谔薛定谔 方程方程隧道效应隧道效应隧道效应的视觉想象：隧道效应的视觉想象：Scanning Tunneling Microscopy （STM）技术技术不可视的世界可视化不可视的世界可视化用用STM针尖将针尖将48个铁原子排成圆个铁原子排成圆圈，电子无法逃圈，电子无法逃出围栏，从而在出围栏，从而在栏内形成同心圆栏内形成同心圆状的驻波。状的驻波。 量子艺术（量子艺术（Quantum Art）艾立克艾立克赫勒（赫勒（Eric Heller ）,哈佛大学著名的量子论专家哈佛大学著名的量子论专家This image shows electron waves resonating i

11、n a cavity formed by the curved and straight barriers The flow of electrons through a semiconductor gate form the basis for this print by Eric Heller Electrons flow in two dimensions form the basis for this print by Eric Heller 玻尔与爱因斯坦的论战：玻尔与爱因斯坦的论战：1927年第五次索尔维会议年第五次索尔维会议爱因斯坦爱因斯坦洛伦兹洛伦兹居里夫人居里夫人普郎克普郎克

12、郎之万郎之万狄拉克狄拉克薛定谔薛定谔德布罗意德布罗意泡利泡利海森伯海森伯玻恩玻恩玻尔玻尔德拜德拜布拉格布拉格埃仑费斯特埃仑费斯特布里渊布里渊康普顿康普顿1905年，爱因斯坦，年，爱因斯坦，26岁（光量子理论）岁（光量子理论）1913年，玻尔，年，玻尔， 28岁（氢原子理论）岁（氢原子理论）1923年，德布罗意，年，德布罗意，31岁（相波）岁（相波）1925年，海森伯，年，海森伯， 24岁（不确定关系）岁（不确定关系）1925年，泡利，年，泡利， 25岁（不相容原理）岁（不相容原理）1927年，狄拉克，年，狄拉克， 25岁（相对论量子力学）岁（相对论量子力学）1925年，薛定谔，年，薛定谔， 3

13、6岁（薛定谔方程）岁（薛定谔方程）1925年，乌仑贝克年，乌仑贝克 25岁岁 古兹密特，古兹密特， 23岁（电子自旋）岁（电子自旋）1926年，费米，年，费米， 25岁（量子统计）岁（量子统计）光阴迅逝光阴迅逝风华难驻风华难驻转瞬即过而立年转瞬即过而立年空悲切空悲切狄拉克狄拉克（Paul Dirac 1902-1984 ）1930年爱因斯坦年爱因斯坦第六次索尔维会议上第六次索尔维会议上提出著提出著名著名的光子箱实验，使玻尔大吃一惊。名著名的光子箱实验，使玻尔大吃一惊。0tE玻尔经过一个不眠之夜的思考，找出玻尔经过一个不眠之夜的思考，找出了爱因斯坦的破绽了爱因斯坦的破绽以其人之道还治其人之身以其

14、人之道还治其人之身忽略引力红移忽略引力红移htE1866 出生出生1896 开始作画开始作画1910 第一幅抽象派作品第一幅抽象派作品1922 包豪斯美术学院包豪斯美术学院1939 获法国美术界承认获法国美术界承认 1944 78岁病逝于法国。岁病逝于法国。今天，作为抽象绘画最伟今天，作为抽象绘画最伟大创始者而得到广泛认可的大创始者而得到广泛认可的康定康定斯基斯基（W.Kandinsky，1866-1944） ，以新的绘画语言概念，在以新的绘画语言概念，在20世纪世纪掀起了立体主义之后的一场艺术掀起了立体主义之后的一场艺术上的革命。上的革命。二十世纪美术词典二十世纪美术词典对对抽象主义的定义：

15、抽象主义的定义：“举凡艺术都举凡艺术都是一种抽象，许多抽象的艺术必是一种抽象，许多抽象的艺术必然在观众的眼中和心灵中造成具然在观众的眼中和心灵中造成具体物象的联想。体物象的联想。20世纪世纪抽象艺抽象艺术术的概念，乃是指不造成具体的概念，乃是指不造成具体物象联想的艺术，它不探求其他物象联想的艺术，它不探求其他视觉经验。视觉经验。”第一幅抽象水彩第一幅抽象水彩 （康定斯基（康定斯基,1910 ）标志着欧洲美术发展史上对客观形象的最后突破，标志着欧洲美术发展史上对客观形象的最后突破，以及一种取而代之的非具象形式的诞生。以及一种取而代之的非具象形式的诞生。即兴即兴21a（康定（康定斯基斯基,1911

16、）从具象走向抽象不从具象走向抽象不是一夜之间的事情是一夜之间的事情 即兴即兴是指突然间是指突然间、无意识的发自、无意识的发自于精神内部的图于精神内部的图像。像。构造构造4（康定斯基（康定斯基, 1911）“构造构造”主主要是将从精要是将从精神内部而来神内部而来的东西有意的东西有意识、经过深识、经过深入思考的图入思考的图像。像。构造构造X（康定斯基（康定斯基,1938）震动震动（康定斯基（康定斯基，1925）构造构造8（康定斯基，（康定斯基，1923）康定斯基的著作康定斯基的著作点、线、面点、线、面的艺术实践的艺术实践“热抽象热抽象”色彩的抽象；色彩的抽象；“冷抽象冷抽象”几何的抽几何的抽象象红

17、、黄、蓝构图红、黄、蓝构图（蒙德（蒙德里安，里安，1925）红、黄、蓝正方形构图红、黄、蓝正方形构图（蒙德里安，（蒙德里安，1930）百老汇爵士乐百老汇爵士乐（蒙德里（蒙德里安，安，1942）“只有只有抽象形式抽象形式，才能避免个别性和才能避免个别性和特殊性，获得人类特殊性，获得人类公通的纯粹精神表公通的纯粹精神表现现”观鱼乐有余，观鱼乐有余，方知我非鱼。方知我非鱼。自然匿其法，自然匿其法，鱼知尔知乎？鱼知尔知乎？鱼的魔术鱼的魔术（克利，（克利，1925）具象的具象的“电子电子”抽象的抽象的“电子电子”经典物理经典物理 = 具象性具象性量子物理量子物理 = 抽象性抽象性乔托乔托达达芬奇芬奇毕加索毕加索伽利略伽利略牛顿牛顿爱因斯坦爱因斯坦观察观察自然自然描绘描绘自然自然思考思考自然自然乔托乔托达达芬奇芬奇毕加索