当绘画遇上“结构元素”

结构是事物各个组成部分的搭配与排列。宇宙万物都会有其自身的结构形态，大至宇宙，小至基本粒子。实际上，科学家或画家们所进行的科学研究和艺术创造等，都离不开对结构的描绘。有些先前不被人所知的结构图景大白于天下时，甚至对科学产生了突破性发展，如原子结构、DNA结构等。本期我们探讨画家们如何对各种层次结构进行描绘以及发挥其科学和艺术的作用。

描绘宇观结构的画作

“宇观”的概念出自已故中国天文学家、南京大学天文系（现天文与空间科学学院）教授戴文赛先生。该概念描绘了可直接观测但不能以物质手段加以影响或变革的时空区域及结构，包括星团、星系、星系团、超星系团、总星系团及遍布宇宙空间的射线和引力场所构成的物质系统。而对宇观世界结构的描述需借助广义相对论和星系力学等。

这是借助计算机绘制的一幅彩色画作，表现了星系中黑洞与星云等天体结构的融合

17世纪法国哲学家、数学家笛卡儿在他的“世界体系”中，想象着宇宙诸多天体之间，布满了由看不见的物质所形成的涡动结构，并用图画的方式表现出来。虽然后来他的部分观点存在一些认识上的局限，但从21世纪开始，通过理论推算、实验观察或计算机模拟等手段证明，宇宙确实存在大量看不见的透明物质网状结构。

描绘宏观结构的画作

为区别宇观范围，人们将日常可见的、直至到达太阳系距离的，以及基本可用牛顿力学解决的范围称为宏观世界。

16世纪，比利时出生的解剖学家维萨留斯在1543年出版了著名的《人体结构》一书。这是解剖学中一个里程碑事件—它是当时对人体结构方面描述最为精确的一本书。该书有大量的精美插图，许多肌肉组织与器官结构的绘制具有科学性，并且这些精美的人体结构插图都是出自维萨留斯和凯尔卡尔（威尼斯大画家提香的学生）之手。

英国太空画家哈代的画作《近看星系》，它让我们仿佛在近距离上看清了旋涡星系的结构

1996年，混沌与分形的创始人费根鲍姆、芒德布罗等与中国同行一起参加了以“复杂与简单”为主题的学术讨论会。中国现代著名绘画大师吴冠中以“复杂与简单”为主题绘制了一幅描绘自然世界结构形态的画作，并做了配画诗，以概括其画作的神韵。

在这里，我们不得不说说“分形”这一概念，该概念是简单性产生复杂性的一个极好例证。由一组称为芒德布罗集的复数，通过简单的数学组合便可得到一系列复杂的结构图形。

“蝴蝶效应”是一位美国气象学家洛伦兹在20世纪中叶提出的，该名词在混沌学中影响较大、流传极广，应该说它是一种对初始条件的某种依赖和放大效应，洛伦兹在演讲中提到：一只蝴蝶在巴西扇动翅膀，有可能会在美国的得克萨斯引起一场龙卷风。用专业的话来讲，大气的行为对于小振幅扰动可能产生不稳定的剧烈状态。更深层次地讲，混沌是一种事物发展的潜结构。我们甚至可以用绘画的形式对这种关联结构加以表现。

描绘介观结构的画作

“介观（mesoscopic）”这一词汇，由科学家Van Kampen于1981年提出，指的是介乎于微观和宏观之间的状态，包括从微米、亚微米、纳米到团簇尺寸（从几个到几百个原子以上尺寸）的范围领域。其中有一个名为“巴基球（化学式C60）”的结构最为著名，它与我们所喜爱的足球结构的经典形象十分吻合，即碳家族中一种完美的对称构造。由于这个结构的提出是受到建筑学家巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）的启发，因此科学家把C60叫作富勒烯，也叫足球烯。

笛卡儿对涡动宇宙结构的描绘（左图）    计算机模拟的暗物质“宇宙之网”结构（右图）

知识链接

富勒烯名字的由来

克罗托等人之所以能够勾画出C60的分子结构，巴克敏斯特·富勒的启示起了关键性作用，他们一致建议，用巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）的姓名加上一个词尾-ene来命名C60及其一系列碳原子簇，称为Buckminsterfullerene，简称Fullerene，中译名为富勒烯。

1996年，克罗托、柯尔和斯莫利被授予诺贝尔化学奖，表彰他们发现了被称作富勒烯的全碳足球分子，该发现开启了碳化学研究的一方新天地。碳有两种主要形态（或者称同素异构体），用来做戒指的钻石和铅笔中的“铅”—石墨，还有几种被称作无定形碳的不规则非结晶体形态。在1985年，克罗托、柯尔和斯莫利发现碳具有另一种全新的结构：其实际形状是一个拥有截二十面体的数学多面体，有20个六边形的面和12个五边形的面，这正是现代足球的典型结构。多数化学家相信将来会证明这是许多重要化学制品的构件—巴基球化学拥有广阔的研究前景。

“蝴蝶效应”的艺术性图解（上图）（刘夕庆/绘）  对花儿与蝴蝶结构逐渐变化进行描绘的中国画（花瓣结构渐变成为蝶翅结构）（下图）（刘夕庆/绘）

描绘微观结构的画作

一般来说，原子尺度、量子力学研究的范围才属于微观世界。在科学史上，对微观结构的描绘是从显微镜发明后开始的。例如，17世纪英国的胡克因其对弹性的研究而闻名于世，但他同时也以生物学家而名扬四海，尤其对昆虫的显微研究。1665年他第一次观察微观细胞级别的构成，并于同年出版了《显微术》一书，展示了其显微研究的成果。该书内有57幅精确的素描插图，大部分是胡克本人所作，它们显示了人们肉眼看不见的奇特构造，例如苍蝇的复眼、蜜蜂的细刺、跳蚤的身躯等，因此，有些科学史书籍称胡克为插图大师。

在20世纪微观结构领域中，丹麦物理学家玻尔的原子结构与美国物理学家盖尔曼的夸克结构模型等都对人类认识微观世界起到了极大的促进作用。这些结构模型不但让人们“看到”了原子、中子、质子的“本来面目”，而且还能了解它们的作用机制。在原子结构等物理化学理论的触发下，也就是在20世纪中叶后，美国分子生物学家沃森与英国物理学家克里克合作，采用“拼图”式的方法发现了DNA结构，为解释生命的秘密作出了关键性的贡献。相较于科学家，20世纪的杰出科学思想画家埃舍尔则给后人留下了更多的以精美结构著称的经典画作。

总之，对结构形态的描绘是画家们所乐于进行的，因为它们有显示其个性的美妙一面，这是艺术之美;而各种自然或人为创造的结构形式，构成了人类认识世界的必经之道，它们在最根本的层面上都是简洁优美的，这是科学之美。艺术之美与科学之美，美美相叠，必将成为科学与艺术相融的大美图景。