物理與藝術(shù)第10講：量子風(fēng)云錄

1、物理與藝術(shù)(Art & Physics),南京航空航天大學(xué)理學(xué)院,施大寧, ,物質(zhì)結(jié)構(gòu) 量子圖像 波粒兩重性 不確定原理 抽象派藝術(shù),第十講 量子風(fēng)云錄：量子圖景 / 抽象主義,對(duì)量子理論不感到吃驚的人根本就沒有真正理解它。 玻爾（Niels Bohr ，1885-1962）,藝術(shù)并不描繪可見的東西，而是把不可見的東西創(chuàng)造出來。 克利（Paul Klee ，1879-1940）,“一尺之捶，日取其半，萬世不竭” 莊子,1830年道爾頓（John Dalton，1766-1844）的科學(xué)原子論 對(duì)微觀世界科學(xué)認(rèn)識(shí)的開端,德漠克利特(Democritus）的哲學(xué)原子論 古希臘哲學(xué)第一個(gè)偉大時(shí)期的最

2、高峰。,1867年門捷列夫（D.I. Mendeleev 1836-1907 ）的元素周期律,一、物質(zhì)結(jié)構(gòu),門捷列夫,世紀(jì)之交三大發(fā)現(xiàn)：,X射線（1895）,第一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者倫琴（W.K. Roentgen, 18451923 ),一、物質(zhì)結(jié)構(gòu),死與火（克利，1940）,“我們四周的客觀世界并不是惟一可能的世界，還有其他的世界，潛在著。”,一、物質(zhì)結(jié)構(gòu),放射性 （1896）,一、物質(zhì)結(jié)構(gòu),“建造一切化學(xué)元素的物質(zhì)。”,電子的發(fā)現(xiàn)（1897）,e / m=1011,圖像：一個(gè)帶電的微小粒子,湯姆遜（J.J. Thomson，1856-1940 ）,一、物質(zhì)結(jié)構(gòu),下一個(gè)待解決的問題是原子結(jié)構(gòu)：

3、,經(jīng)典的蛋糕葡萄干模型:,盧瑟福散射實(shí)驗(yàn),矛盾！,一、物質(zhì)結(jié)構(gòu),盧瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）,氫原子線狀光譜:,一、物質(zhì)結(jié)構(gòu),1913年玻爾的氫原子量子理論：電子運(yùn)動(dòng)軌道的“量子化”,玻爾（N. Bohr, 1885-1962）親自設(shè)計(jì)的家徽,一、物質(zhì)結(jié)構(gòu),紐曼（Barnett Newman ，1905-1970）的“Zip”風(fēng)格繪畫紐曼繪畫的標(biāo)示物。,一、物質(zhì)結(jié)構(gòu),不知道紐曼自己是否理解他的“拉鏈”，至少他的表現(xiàn)形式受到了藝術(shù)界和觀賞者的認(rèn)同。,在藝術(shù)評(píng)論家那里，這道“拉鏈” 經(jīng)常被比作上帝原初的創(chuàng)造行為；被比作光明與黑暗的分離；被比作亞當(dāng)?shù)男误w等等,崇高

4、的半人半神（Vir Heroicus Sublimus） （1951),一、物質(zhì)結(jié)構(gòu),紅、黃、藍(lán)(1957),第三 (1962),一、物質(zhì)結(jié)構(gòu),紐曼的繪畫讓人感受到色彩的張力，試圖通過對(duì)色彩的分析來表現(xiàn)對(duì)自然和精神的敬畏。,天堂 (1951),亞當(dāng) (1951),夏娃 (1950),第一天 (1970),一、物質(zhì)結(jié)構(gòu),物質(zhì)的波粒二重性,光輻射的量子化,光傳播的量子化,不確定原理,物質(zhì)波的方程,物質(zhì)波的解釋,原子結(jié)構(gòu)的量子化,二、量子圖像,德布羅意大膽假設(shè)：任何實(shí)物粒子都具有波粒二重性。,二、量子圖像,德布羅意 （Louis de Broglie, 1892-1987 ）,圓柱就是“圓柱”,二、

5、量子圖像,粒子性,波動(dòng)性,光子就是“光子”,二、量子圖像,二、量子圖像,人們經(jīng)常使用“雙重影象”來幫助理解微觀粒子波粒二重性,少女？,老婦？,巨人時(shí)代（馬格里特，1928）,二、量子圖像,矛盾的組合體： 男人還是女人？ 遭襲還是被襲？ 是軀體還是頭顱？ ,馬格里特在許多作品中慣用的表現(xiàn)手法“矛盾的組合體”,二、量子圖像,浮現(xiàn)在海岸邊的面孔與水果盤（達(dá)利，1938）,達(dá)利在許多作品中慣用的表現(xiàn)手法“雙重影象”,戴維孫-革末實(shí)驗(yàn),二、量子圖像,戴維森與革末(C.J.Davisson,1881-1958) (L.H.Germer,1896-1971),湯姆遜（G.P. Thomson，1892-19

6、75）,二、量子圖像,二、量子圖像,歌（諾蘭，1958）,靶子和四張臉（約翰斯，1955）,二、量子圖像,靶子（約翰斯，1955）,二、量子圖像,方塊上的同心圓（康定斯基，1913）,二、量子圖像,方塊上的同心圓（康定斯基，1913）,波粒二重性導(dǎo)致粒子軌道不確定性,不確定原理：,二、量子圖像,海森伯（Werner Karl Heisenberg， 1901-1976）,二、量子圖像,顏色？,數(shù)目？,莊園（局部，康斯特布爾，1816）,康斯特布爾（J.Constable，1776-1837)和透納（J.M.W. Turner, 1775-1851)是英國(guó)同時(shí)代、最具有創(chuàng)造力的風(fēng)景畫大師。,這是

7、一個(gè)確定的世界,二、量子圖像,船抵威尼斯（透納，1843）,無視的現(xiàn)實(shí) 莫測(cè)的變化 光色的魅力 模糊的世界,二、量子圖像,量子方程最終確定粒子在空間出現(xiàn)的幾率,二、量子圖像,薛定諤 (Erwin Schrodinger,1887-1961),玻恩 (M. Born 1882-1970),微觀粒子滿足的波動(dòng)方程 薛定諤 方程,隧道效應(yīng),二、量子圖像,隧道效應(yīng)的視覺想象：,二、量子圖像,Scanning Tunneling Microscopy （STM）技術(shù),二、量子圖像,不可視的世界可視化,用STM針尖將48個(gè)鐵原子排成圓圈，電子無法逃出圍欄，從而在欄內(nèi)形成同心圓狀的駐波。,二、量子圖像,量子

8、藝術(shù)（Quantum Art）艾立克赫勒（Eric Heller ）,哈佛大學(xué)著名的量子論專家,This image shows electron waves resonating in a cavity formed by the curved and straight barriers,二、量子圖像,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

9、 this print by Eric Heller,二、量子圖像,玻爾與愛因斯坦的論戰(zhàn)：1927年第五次索爾維會(huì)議,愛因斯坦,洛倫茲,居里夫人,普郎克,郎之萬,狄拉克,薛定諤,德布羅意,泡利,海森伯,玻恩,玻爾,德拜,布拉格,埃侖費(fèi)斯特,布里淵,康普頓,二、量子圖像,1905年，愛因斯坦，26歲（光量子理論）,1913年，玻爾， 28歲（氫原子理論）,1923年，德布羅意，31歲（相波）,1925年，海森伯， 24歲（不確定關(guān)系）,1925年，泡利， 25歲（不相容原理）,1927年，狄拉克， 25歲（相對(duì)論量子力學(xué)）,1925年，薛定諤， 36歲（薛定諤方程）,1925年，烏侖貝克 25歲

10、 古茲密特， 23歲（電子自旋）,1926年，費(fèi)米， 25歲（量子統(tǒng)計(jì)）,光陰迅逝 風(fēng)華難駐 轉(zhuǎn)瞬即過而立年 空悲切,狄拉克（Paul Dirac 1902-1984 ）,1930年愛因斯坦第六次索爾維會(huì)議上提出著名著名的光子箱實(shí)驗(yàn)，使玻爾大吃一驚。,二、量子圖像,二、量子圖像,玻爾經(jīng)過一個(gè)不眠之夜的思考，找出了愛因斯坦的破綻,以其人之道還治其人之身,忽略引力紅移,1866 出生 1896 開始作畫 1910 第一幅抽象派作品 1922 包豪斯美術(shù)學(xué)院 1939 獲法國(guó)美術(shù)界承認(rèn) 1944 78歲病逝于法國(guó)。,今天，作為抽象繪畫最偉大創(chuàng)始者而得到廣泛認(rèn)可的康定斯基（W.Kandinsky，18

11、66-1944） ，以新的繪畫語言概念，在20世紀(jì)掀起了立體主義之后的一場(chǎng)藝術(shù)上的革命。 二十世紀(jì)美術(shù)詞典對(duì)抽象主義的定義：“舉凡藝術(shù)都是一種抽象，許多抽象的藝術(shù)必然在觀眾的眼中和心靈中造成具體物象的聯(lián)想。20世紀(jì)抽象藝術(shù)的概念，乃是指不造成具體物象聯(lián)想的藝術(shù)，它不探求其他視覺經(jīng)驗(yàn)?！?三、抽象主義藝術(shù),第一幅抽象水彩 （康定斯基,1910 ） 標(biāo)志著歐洲美術(shù)發(fā)展史上對(duì)客觀形象的最后突破，以及一種取而代之的非具象形式的誕生。,三、抽象主義藝術(shù),三、抽象主義藝術(shù),即興21a（康定斯基,1911） 從具象走向抽象不是一夜之間的事情,即興是指突然間、無意識(shí)的發(fā)自于精神內(nèi)部的圖像。,構(gòu)造4（康定斯基, 1911）,“構(gòu)造”主要是將從精神內(nèi)部而來的東西有意識(shí)、經(jīng)過深入思考的圖像。,三、抽象主義藝術(shù),構(gòu)造X（康定斯基,1938）,三、抽象主義藝術(shù),三、抽象主義藝術(shù),震動(dòng)（康定斯基，1925）,構(gòu)造8（康定斯基，1923）,康定斯基的著作點(diǎn)、線、面的藝術(shù)實(shí)踐,三、抽象主義藝術(shù),“熱抽象”色彩的抽象；“冷抽象”幾何的抽象,紅、黃、藍(lán)構(gòu)圖（蒙德里安，1925）,紅、黃、藍(lán)正方形構(gòu)圖（蒙德里安，1930）,百老匯爵士樂（蒙德里安，1942）,三、抽象主義藝術(shù),“只有抽象形式，才能避免個(gè)別性和特殊性，獲得人類公通的純粹精神表現(xiàn)”,三、抽象主義藝術(shù),觀魚樂有余，