当绘画显现科学仪器

刘夕庆

我们经常会在一些科学画作中看到对科学仪器、设备的描绘，它们一方面是科学绘画的有机组成部分——衬托画面的主体或本身就是画作的主体;另一方面也是画家在用形象语言说明绘画作品的科学性质和学科类别。但有时因为画家并不是科学专家，也难免在描绘科学仪器时出错。

测量仪器画中见

中国已故著名科学家钱学森在谈到新技术革命的关键技术时曾指出：“……测量技术是关键和基础”。实际上，计量或测量工具与仪器的发明也是人类仪器发展史中最早使用的，包括对时间、空间（长度、角度等）、重量、速度的测量等。

计量仪器仪表发展历史悠久。公元前1450年，古埃及就有绿石板影钟用于计量时间;公元前600年至公元前525年，也有用棕榈叶和铅垂线记录夜间时间和特定天体的仪器。而在中国，东汉中期有小型折叠铜质民间测影仪器，苏颂和韩公谦更是在1088年（北宋时期）制作了天文计时器 —— 天文仪象台。这是一台采用民间使用的水车、筒车、桔槔、凸轮和天平秤杆等机械原理，集观测、演示和报时为一身的“自动化”天文钟，也被称为水运仪象台。

计量是为了更加精确的观测，但测量是有限度的，最小的仪器不可能小于亚原子——德国物理学家海森堡于1927年提出了著名的“测不准原理”。他认为：一个测量仪器无论再小，它的体积最多可以小到同一个亚原子粒子相当，但却不能小于亚原子粒子。用这种测量仪器来测量电子的行为时，这种变化相对电子来说，就显得很大。当测定某个电子在空间的位置时，为了看到这个电子，就必须让一个光量子从它上面弹回来。而当我们看到这个被弹回的光子时，电子的情况已发生了明显的变化。

到了现代，随着X射线、γ射线先后被德国科学家伦琴、法国科学家维拉德（Pal Ulrich Villard）发现，仪器的功能与概念被进一步推向更深的领域，如X光检查机、线宽检测仪等仪器，就是采用X射线、γ射线的超强穿透力研发出的先进检测仪器设备。

1814年，德国物理学家夫琅和费在测试新制造出的棱镜时，发现太阳光谱中有许多暗线。在此之前，他在灯光光谱中发现了钠的谱线，因此，他也希望在太阳中发现这些特征谱线。夫琅和费将太阳光谱记录下来，并将发现的暗线用字母标出。这些暗线今天被称为夫琅和费线。后来，他又多次观察月光和行星的反射光，发现其光谱与太阳光谱完全相同。1821年，夫琅和费第一个用光栅（间隔很小的细丝）作为折射装置，使太阳光形成了一个更精细的光谱。利用光栅，他试着测定了太阳谱线的波长。

20世纪后，电子技术的发展使各类电子仪器快速产生，如今普及全球的电子计算机，便是从这一时代开始崛起的。同时，随着工业化程度的不断提高，各行各业的电子仪器如雨后春笋般地出现，如计量、分析、生物、天文、汽车、电力、石油、化工仪器等。

实验仪器画中显

精确定量是现代科学的特征，牛顿的万有引力定律使得在他之前的众多天文学家所观测到的精确实验数据得到了完美地统一。1687年，牛顿出版了《自然哲学的数学原理》，为天文学和物理学上的科学革命打上了圆满的句号。反之，化学革命则要滞后得多。一个重要原因是，化学现象涉及物质的变化，尤其是气体物质的变化，这使得精确定量非常困难。拉瓦锡认为必须用天平进行精确实验测定来确定化学理论。

好在18世纪后二三十年里，法国的精密仪器制造业追上了英国的脚步，能够为化学研究提供所需的工具。拉瓦锡选择了天平作为精确测量的仪器，把它与热量计、气量计共同使用，与计算方法联系起来，追踪反应中所出现的数量变化。为拉瓦锡制造天平、温度计、燃烧设备的是当时知名的科学仪器制作商，因此，他拥有几乎是当时最精确的天平，精确度达到毫克级。其他人没有这些仪器，因此难以重复他的实验。

拉瓦锡对实验精确测量的高要求，还体现在与数理科学家拉普拉斯的合作上。他们共同测量燃烧和呼吸过程中热量的释放，特别是把使用天平进行精确测量的方法应用到水的分解和合成实验中。

拉瓦锡被称为“近代化学之父”，而他的夫人不但喜爱搞化学研究，还在绘画方面很有造诣，拉瓦锡所写书籍的插画基本都是他的夫人绘制的。除此之外，夫人还保存着拉瓦锡的实验记录，在她去世之前，几乎能够还原出拉瓦锡全部的实验笔记和仪器。

观测仪器画中现

仪器仪表能改善、扩展或补充人的官能。人们用感觉器官去看、听、尝和触摸外部事物，而显微镜、望远镜、声级计、酸度计、高温计等仪器仪表可改善和扩展人的这些官能。还有些仪器仪表可以超过人的能力去记录、计算和计数，如高速照相机、计算机等。在观测仪器中，最典型的莫过于观测“最远最大”天体等的望遠镜和观测“最近最小”微生物等的显微镜了。

望远镜不仅揭露了星体的物理性质，而且从根本上深入揭示了整个宇宙中多种问题的新本质。其中之一是光的性质（因为早期的天文望远镜都是可见光学望远镜）——后来证明光在物理上属于一种物质存在形式，爱因斯坦在20世纪初论述了光的波粒二象性本质。经过观察和测量，光以约30万千米/秒的速度在宇宙中运行。后来望远镜家族又增添了射电望远镜等诸多新成员—— γ射线、X射线、红外线等波段的望远镜，宇宙微波背景辐射、类星体、脉冲星和星际分子都是射电望远镜发现的。

列文虎克是17世纪的荷兰显微镜学家及微生物学的开拓者。尽管幼年没有受过正规教育，但由于勤奋及本人特有的天赋，他磨制的透镜远远超过同时代人。他的放大透镜以及简单的显微镜种类很多，透镜的材料有玻璃、宝石、钻石等。其一生磨制了400多个透镜，有一架简单的透镜，其放大率竟达270倍。

他对放大透镜下所展示的显微世界非常有兴趣，观察的对象也非常广泛，有晶体、矿物、植物、动物、微生物、污水等。1674年他开始观察细菌和原生动物（即他所谓的“非常微小的动物”），并测算了它们的大小。

列文虎克是第一个用放大透镜仪器看到细菌和原生动物的人。尽管他缺少正规的科学训练，但他对肉眼看不到的微小世界的细致观察、精确描述和众多惊人发现，却对18世纪和19世纪初期细菌学和原生动物学的研究发展起了奠基作用。他根据用简单显微镜所看到的微生物而绘制的图像，今天看来依然是正确的。

科学仪器能改善、扩展或补充人的感官功能，因而就会发现人的感觉器官所不能感觉到的东西——这是科学获得不断发展的原因之一。上述各类画作中，记录了科学史上不同阶段科学家利用科学仪器进行科学发现的画面，它们既是艺术作品，又是科学史话，值得我们欣赏和借鉴。

（责任编辑/岳萌  美术编辑/刘强）