夜读·开卷有益

在大多数书里，文字才是主角，图片仅是用来说明文字的，或者贯穿于文字之间。然而，这本书的主角是图片，文字则是对图片的注解，阐述了图片在科学史上的意义。

《科学的画廊：图片里的科学史》是一本趣味科普读物，全书围绕近200幅科学史上有影响力的图片，结合富有洞察力的短文，揭示了图片对人类塑造宇宙观的非凡力量，引领读者领略科学的美感和力量。

你会惊讶地发现，一张张图片的背后，居然有这么有趣的故事！

本书文笔流畅又轻快，兼具一定的科学深度，适合喜爱科学、历史、艺术的大众读者阅读。

● 涡状星系 ●

凡·高名画《星空》里的秘密

1773年10月13日，夏尔·梅西耶正在忙于观测一个当年在夜空中出现过的彗星，他有了更惊人的发现——一对有着明亮中心区域的星系。这给他带来了无上的荣誉。这个发现成了第51个被收录到《梅西耶星表》的天体，它就是今天天文学家通晓的M51。它还有一个更生动的名字——涡状星系。

1845年春天，罗斯伯爵三世威廉·帕森斯开始用6英尺（约183厘米）口径的大型反射望远镜进行观测。罗斯伯爵忍耐了好几周的坏天气之后，空气变得又冷又干。此时，他将这台当年世界上最大的望远镜对准了M51。伯爵激动不已，他观测到了前所未有的现象：螺旋结构的星星好似以一种“螺旋式的回转”正在围绕着星系中央打旋。

当时没有摄影底片，所以伯爵做了一件后世天文学家纷纷效仿的事情——仔细画下自己的观测情况。这些精准的素描于1845年4月首次完成，并在同年6月的英国科学促进协会的剑桥大学会议上第一次展示，吸引了众人的眼球。人们开始对星系的螺旋结构进行研究。

上图为1845年罗斯伯爵手绘的M51星系的原版图片；下图为美国国家航空航天局在现代为同一星系拍摄的图片

如今，人们很熟悉这些星星的涡状结构，因为我们在杂志上见过不计其数的美丽螺旋状星系图。我们必须花点功夫才能回到19世纪，去体会这些令人瞠目的图片究竟产生了何种影响，毕竟它们第一次解析了河外星系。

法国天文学家卡米伊·弗拉马里翁也是第一批观测到涡状星系的人之一。不久之后，他于1879年在巴黎天文台出版了《大众天文学》。该书大获成功，影响巨大，销量超过10万册。这本书就是当时欧洲的“时间简史”。无论志趣如何，有识之士几乎人手一册。

我相信，这本书的读者之中必定有著名的印象派画家文森特·凡·高。凡·高的名画《星空》如今悬挂在美国纽约大都会艺术博物馆。如果以天文学家的眼光来赏析这幅作品，你会感到这幅画中的天空似曾相识。尽管画的名字叫《星空》，但画中最令人印象深刻的是一对双心涡状螺旋中闪亮的“大旋涡”。除非透过罗斯伯爵的望远镜观察过星空或者见过他的素描，否则当年没人见过这种螺旋状星系。

凡·高的《星空》，1889年绘制。油画，规格为73.7厘米×92.1厘米

凡·高的这幅画与罗斯伯爵的素描十分相似。当时，罗斯伯爵的素描备受追捧，传播极广。而在19世纪80年代，弗拉马里翁的书也是法国街头巷尾热议的话题。所以我相信，凡·高可能在报纸上或在弗拉马里翁的书中见过这些素描，进而从天文学得到了灵感。

凡·高钟情于天空。人们正是通过分析天空实景，才推测出了《月初》这幅作品的精确创作时间。而凡·高的其他绘画作品，比如《罗纳河上的星夜》和《夜晚露天咖啡座》也都彰显了天文学的主题。

一些天文学家甚至在讨论《星空》这幅画的顶部背景是否遵循白羊座的恒星排列，因为凡·高本人正是白羊座（他生于1853年3月30日）。凡·高曾谈道：“我一无所知、毫无把握，但望见星星，却让我有了梦。”

1889年6月，凡·高在法国普罗旺斯的圣雷米完成《星空》。可就在13个月后，他终因陷入极度绝望而饮弹自杀。

如今，现代望远镜的分辨能力能让我们再次感受到涡状星系的华美。尽管M51距离我们有3700万光年，但斯皮策空间望远镜拍到的图像却清晰地记录下了其旋臂和伴星系的每个细节。

斯皮策空间望远镜在两种不同波段下为M51拍摄的图片，显示了构成星系的两种不同成分：可见光成像的恒星和红外成像的星尘

天文学家相信，正是在较小伴星系的引力的影响下，其“大邻居”才有着壮观的螺旋结构。旋臂并不结实，样子也不固定。它们处在引力最大且物质挤压程度最高的区域。这些条件促成了年轻恒星的诞生。这些发光的恒星照亮了整个螺旋结构。当星系转动时，不同物质穿梭于这些区域，并照亮了螺旋结构。这就像是“星际交通堵塞”。从空中看去，你会发现如果高速路段被封，车子变得更加密集，大家“摩肩接踵”，在堵塞中低速前行，但是堵塞中的车子总是不同的。这是车子的密度波，汽车以不同速度穿梭其间，最终形成了整个波的速度。

这种说法同样适用于螺旋星系。整个螺旋结构的旋转速度不同于单个恒星围绕星系中心旋转的速度。而在某些位置，二者的速度是一样的，而且恒星之间产生了持久而强烈的引力影响。就是在这些地方诞生了特殊的恒星并发出灿烂的星光，引起了人们的关注。

凡·高的名画不是科学图像，它对星系研究也没有任何帮助。但在过去的一个多世纪里，《星空》代表了整个印象派对星星的诠释。它打动了科学家和艺术爱好者，是艺术与宇宙沟通的桥梁。画家将自己对光与现实的独特见解融入了原始的天文观测中，令整幅图画历久弥新，如同完成时一样鲜活，令人振奋。

今天，由于望远镜和摄影技术的发展，恒星和星系已经不像当年凡·高只凭想象画出的那样简单：正如画中所暗示的，它们让人类进一步了解自己在宇宙中的位置。它们占据着人类的精神天空，正如凡·高眼中的星夜一样不朽。

● 雪花 ●

你永远不会遇到两片相同的雪花

六角对称的雪花是大自然中最美的图案之一。围绕它有着各式各样的神话。人们推测，世界上没有两片相同的雪花，但每片雪花的六条雪花臂却一模一样。可惜，虽然雪花美丽多姿，但是任何浪漫的褒奖都很难洞悉它的真谛。或许有可能出现完全相同的两片雪花？其实不然。

如果仔细观察，单片雪花的每一条雪花臂与其他五条都迥然有别。我们陶醉于雪花的对称结构中，甚至天真地想象它们的每条臂都比实际上更相像。虽然雪花臂的长短看似相等、彼此分离，但如果你再认真些，就会看到雪花的六条棱角条条不同、面面相异。

雪花掀起了科学家和摄影师的狂热。其中最著名的人是威尔逊·本特利（1865—1931），人称“雪花人”（Snowflake Man）。本特利是佛蒙特州耶利哥的一位农民，他穷尽一生，用显微照相机拍摄了5381张雪花图，试图抓住它们稍纵即逝的美丽。

威尔逊·本特利在1931年发布的显微镜下拍摄的雪花图片，这仅为他拍摄的5000多张图片中的一张

本特利自学成才、做事认真、极具耐心。他的母亲当过学校老师，在本特利15岁时，母亲送给他一架显微镜。非常凑巧，那天下起大雪，这份特殊礼物的镜头下的第一个标本恰好是一片雪花。本特利立刻着迷于此，开始了终其一生的研究。

他小心地将暗箱照相机和显微镜结合起来，以便提高观察水平，切实抓住六角雪花的美。不必说，他一辈子也没见过两片相同的雪花。

本特利的名著《雪晶》在他去世当年出版，他也成为学术界以及博物学领域的传奇人物。本特利是研究雪花结构的先锋之一，他发表过60多篇学术论文，但他一生中只有一次走出佛蒙特州旅行。如今，在研究论文、圣诞卡片、圣诞装饰、教科书和各种文章里，他的照片比比皆是。如果有人在谈论雪花的文章中没有提及本特利美丽的显微照片，那绝对是不可想象的事情。

比起本特利所在的时代，我们今天对雪花的结构有了更加深入的了解，但这绝不是我们想知道的全部。水点需要黏附在一些灰尘，即空气中的尘埃上才会凝固，形成雪花。雪花之所以呈六角形，其实与水分子的结合有关，当水分子以一种格子状结构结合时便会形成六角对称形状。如下图所示，红球代表氧原子，灰色的枝干代表氢原子，两个氢原子和一个氧原子通过氢键相联结（H₂O）。

水结成冰后的冰晶结构分子模型。冰晶体结构说明了它为何是坚硬、易碎的固体。这里的六重六边形对称结构解释了雪花为何呈六重对称。红球代表氧原子，灰色的枝干代表氢原子，两个氢原子和一个氧原子通过氢键相联结。左、右两图代表的结构一致，只是视角不同

尽管这是典型的冰晶平面图，但每一个晶体的具体结晶过程却有着细微的差别。随着温度和湿度的变化，漂浮冰晶的体积逐渐增大，六条棱角迅速伸张。当遇到周围的水汽后，凝华让棱角快速增大，形成了突出的雪花臂。每个冰晶的内部环境基本一致，所以单个雪花臂的增长速度几乎相同，两两之间呈60°角，棱角再生棱角。它们的结构复杂，好像枝叶繁茂的圣诞树。虽然第一眼看去六条棱角毫无二致，但这是因为雪花突出的六角对称结构迷惑了我们。如果仔细观察，你会发现每条雪花臂上的齿状物都有所不同，甚至是一条雪花臂的两面也互有区别。

雪花的降落过程历时越长，其形状就越多变，棱角也就越复杂，每条臂之间的区别也就越明显。当雪花穿过变幻莫测的层层大气时，每一片雪花会经历不同的热过程，所以雪花各自形成的结构也不尽相同。随着雪花不断增大，它们之间的差异点会变得更多。虽然初生的雪花娇小玲珑，只含几十个水分子，但在我们看来，它们几乎相同。雪花的形状千变万化，但其表面却规则有序，这正是它无比迷人的原因。

雪花的现代特写镜头照片，展现了雪花“几乎”六重对称的结构，揭露了雪花臂内部和彼此之间细微的不对称之处

充当雪花“种子”的冰晶一般含有10¹⁸个水分子，而且大约每1000个水分子中就有一个与众不同，它们含有重氢或不同种的氧原子。所以可能的情况是，这其中的1万亿个水分子都会互不相同。这一庞大数字说明，你永远不会遇到两片相同的雪花。10亿是个很大的数——如果你现在试着开始数数，不用多久你就数不下去了。出于所有现实原因，雪花是独一无二的。

至今仍有许多关于雪花的有趣谜题。雪花每条雪花臂的尖是如何“知道”其他“同伴”的长度的？是什么样的过程保持了每条雪花臂步调一致地伸长？

有一种说法是，晶体内部会发生振动，并且振动会逐渐趋同，好像一队士兵在整齐行进。这些协调的振动能保证每条雪花臂的伸长同时进行。这些过程的随机性意味着，没有一条雪花臂会比其他五条抓住更多的水汽，所以它们的伸长速度几乎一致。

乍一听貌似很有道理，但我们仍缺少关于内部振动的确切描述。然而不可否认，内部振动让雪花的形状在瞬息万变的环境中几乎保持不变。

● 不可能三角形 ●

这是不可能发生的现象

但不妨碍我们看见它

1934年，瑞典艺术家奥斯卡·罗特斯维尔德用非同寻常的方法排列了9个立方体，画出了第一个“不可能三角形”。

罗特斯维尔德认为，这是一个全新的艺术领域，热情满满地创作了几百幅不可能图形的图画，他称之为“错觉体”。罗特斯维尔德利用图形和复杂性制造出不可能立方体、螺旋形的阶梯、叉子和建筑物。

奥斯卡·罗特斯维尔德，《不可能三角形》作品1号，编号293aa（1934年）

1954年，罗特斯维尔德的不可能三角形被罗杰·彭罗斯和他的父亲、心理学家莱昂内尔·彭罗斯重新构造，二人就此发表了一篇文章。莱昂内尔曾经见过荷兰艺术家莫里斯·埃舍尔如何利用“二维图画来表达三维物体的形象”。

罗杰·彭罗斯自从听过埃舍尔的一个讲座后，就一直在思考这方面的问题，但他并没有接触过罗特斯维尔德和其他人的作品，这些艺术作品都包含了一些不可能的构造。彭罗斯父子的文章大概只有340个单词，展示了两种不可能三角形和两种不可能阶梯。随后，罗特斯维尔德三角形的实体版通常被称作“彭罗斯三角形”。

彭罗斯三角形（1954年）

莱昂内尔是一位著名的心理学家，他与儿子合著的这篇文章中的不可能图形吸引了心理学家的目光，他们对人类视觉系统在这方面的工作原理产生了兴趣。与罗特斯维尔德的表现形式有所不同，彭罗斯的图形符合透视法则，增加了图画中悖论的意味。

1961年，埃舍尔把彭罗斯描述的不可能三角形概念融入自己著名的石版画作品《瀑布》中。在画中，两个不可能三角形结合在一起，变成了一个单独的不可能发生的景象。瀑布是一个封闭系统，但水轮被它不停地推动着。如果真的发生这样的事，那我们就有永动机了。

埃舍尔的石版画《瀑布》

埃舍尔在1960年1月写给儿子的信中说过，自己从彭罗斯的文章中得到了灵感，但最后他只画了其中4种不可能图形，而把最大的精力投入拼接与镶嵌中，并以此获得了更大的名望。

不可能三角形为什么会产生神秘感？因为人类的眼睛坚持要把它解读成一个单独存在的实体，甚至在认识到它在物理层面的不可能性之后也依然如此。眼睛首先会发送出“这是一个实体三角形”的信号，随后马上认识到，这样的物体在现实中无法存在。这时，我们可能会期待眼睛通过一系列平面和线，对这一景象产生一种新的解读——但这并没有发生。眼睛坚持认为三角形是一个物体，哪怕它是一个不可能物体。

罗特斯维尔德，《旅行中草图》（1950年），在从斯德哥尔摩到巴黎长达40小时的路上，他找到了无穷阶梯的灵感

迷人的不可能三角形及其无数的变形，以及由此衍生出的立方体、阶梯、多面体和花结，将人类感知与图形艺术的研究联系在一起，而数学就是纽带。

渐渐地，艺术家在创作幻觉、模仿虚幻模型的路上越走越远，在充满迷惑的现实场景中缔造不可能物体的幻象。正是因为这些诱人的不可能作品，使得不可能三角形成了人类心智感知不现实事物的神奇能力的象征。在图形世界中，三角形及其变形无处不在，通过艺术、心理学和数学展现出无与伦比的力量。 

延伸阅读

在过去的几百年里，视觉幻象是科学家和艺术家们经久不变的迷恋。

人类的视觉系统总在试图寻找可以把相近的点都连接起来的图案和简单线条。众所周知，我们精于此道，甚至在看见没有线性特征的点图的时候，也能“看得到”线条。线性图案一旦被发现，就会按照视觉系统的预期设定不断蔓延，而符合这种外推法的点就会被暗示成一幅存在的图案。

现代计算机图形有着激动人心的创造力，赋予了计算机艺术家新的能力，创造令人不安的新视觉幻象。他们不是简单地通过两个透视角度造成的错视而创造出动态效果，，也不是罗特斯维尔德或彭罗斯创作的静止的不可能物体——这类错觉冲动尚可被抗拒，而是制造了一种在意识上无法控制的持续运动。

北冈明佳的《转动的蛇3》

日本视觉艺术家北冈明佳是在艺术领域中精神控制的早期杰出解读者之一，他通过发掘边缘移动错觉（蛇看起来好像在转）和螺旋错觉（灰色的同心圆好像在盘旋）创作了复杂的转动效果。

边缘移动视觉的特点就是，人眼对不同颜色和亮度的反应有所不同，这就制造了从黑到深灰、从白到浅灰的明显动态效果。如果仔细调整相邻颜色，那么相应的动态也会变成一系列令人咂舌的系统性变化，其中最明显的就是正转和反转。

瞧，就是这样！

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