科学与艺术究竟是什么关系？
先讲一位诺贝尔奖获得者、美国物理学家费曼的小故事。
费曼学画画
费曼
费曼的一位艺术家朋友和费曼争辩。他说，艺术家可以用欣赏的眼光看一朵花有多美，可科学家只会分析，不会欣赏美。费曼说，尽管他的眼光不如艺术家的眼光，但一朵花的美还是能够欣赏的。另外，他能从这朵花里看出多得多的东西。他能想象到花里的细胞，这些细胞里面的复杂运动也很美。花不仅在厘米尺度很美，在更小的尺度或者内部结构上，也很美。
显微镜下的花粉
而且，费曼说，花为了吸引昆虫来授粉，进化出了色彩。这事就说明，昆虫能分辨颜色。他又会想到，这些昆虫的低等动物也知道美吗？颜色为什么会引起美感？
这些有趣的问题，这些科学知识，只会让你对花更有兴趣，更有神秘感，甚至敬畏感。
费曼最后说，他无法理解为什么艺术家会认为科学知识会有损于美呢？只会增进美！
费曼跟他的艺术家朋友争论了几次，最后费曼说，你对科学不了解，我对艺术也不了解。不如，我们互相上课，你教我艺术，我教你科学。结果是，费曼从不会画画，到开了几次画展，还卖出去了几幅画。而那位艺术家朋友在科学上没有进展。
费曼的画
费曼这么做的理由是，他想传达一种感情，对美的感情。世界上的事物是那么的不同，行为也那么的不同，但在这个表象后面，它们都受着同样的物理规律支配。这种普遍性，就是一种美。
统一的美
慢，费曼这段话是什么意思？什么叫“事物是多么的不同，行为也是如此的不同”？肯定会有朋友会有疑问。好，我先解释一下。
比如说，牛顿坐在苹果下，被苹果砸了一下。让苹果掉下来的力，被牛顿定义为重力。重力是怎么产生的呢？就是两两物体有吸引力，有万有引力。我们各个物体跟地球之间都有吸引力，物体小，地球大，地球不会被吸走。我们人小，就被地球牢牢吸在地上。
另外一个现象。大家去海边，经常会看到涨潮、落潮，这也是万有引力的作用。海水受到了地球的吸引力，被吸在了地球表面，不过地球的附近，还有一颗月球。月球也有吸引力，地球在转，海面一会儿朝着月球，一会儿背离月球，吸引力一会儿大，一会儿小，所以，海水就有潮起潮落。
在没有伟大的牛顿诞生之前，大概没有人会想到苹果落地和大海潮汐遵从的是同一个规律。这个理论不单单对地球上的物体有效，对整个宇宙都适用。科学家计算天王星的运转轨迹，发现理论值跟观测值不一样，他们想，是不是在天王星的外面还有一颗星星，那颗星星的引力让天王星的理论值与观测值不一样？果然，科学家们根据这个想法，算出了这颗星星的位置，并且观测到了它。这颗星星就是海王星。
所以，不论物体的大小、远近，它们都遵从着同一的规律，这确实让人敬畏，而且有种很深刻的美。
等等，表象又是什么？
叔本华说：世界是我的表象。比如，色觉正常的人，看到的是一朵红花，色盲的人，可能会认为这是一朵棕灰色的花。而要让鸟来看，也许是一朵蓝紫色的花。
人与鸟的世界
在量子物理学家眼里，则更为可怕，这朵花这些状态都是同时存在的，只是观察者不一样，看到的就不一样。但不管如何，它们都是同一个东西，都是有着相通的地方。
我们可以用语言来描述世界，也可以用绘画或者音乐来描述世界，当然也可以用数学或者物理规律来描述。这些描述看着相差很大，但是有相通的地方，因为都是描述的同一个世界，也都是有美的表达，甚至对美的感受也是一样的。
在古希腊，美的定义中，包括了比例和颜色。在苏格拉底之前的古希腊哲学，他们认为世界是一个形式，形式与美是彼此相应的。只是随着科学的发展，宇宙规律间的规律没有想象得那么简单，连爱因斯坦都不愿意承认量子所描绘的看起来破碎、无定型的世界，所以有些人认为科学与美有距离。
雅典神庙
李政道曾经说过：科学与艺术是一枚硬币的两面，缺一不可。杨振宁也说过，他的很多物理直觉来源于对美的感悟，科学工作者要接受美的熏陶。
在艺术领域，其实从没有排斥科学，就是费曼所说，有了科学，艺术表达更为丰富，科学增进了美。
中国画和油画
先看一下两幅中国画和两幅西方油画。中国画一幅是《清明上河图》，一幅是唐寅的《仕女图》。西洋画，一幅是达芬奇的《最后的晚餐》，一幅是16世纪提香的《花神》。唐寅跟达芬奇属于同时代的人。
清明上河图唐寅仕女图花神最后的晚餐
可以明显看出，中国画，第一大特点是颜色素净，第二大特点是，没有立体感，而西洋画色彩、光影变化的描绘非常多，而且它的画有立体感，有景深。
为什么？很多艺术评论家会说，中国画讲究的是神似，而不是形似，是意境。这么说也没错，不过我更倾向于中国的几何学、光学和生理学的落后，才是我们中国画画不出这些东西来。
几何学在画画上的应用
西方的几何学非常发达，在公元前年，古希腊的欧几里得就写出了《几何原本》。这是人类历史上第一个非常完整、严谨的科学体系，我们的科学发展一直在欧氏体系中发展，直到19世纪，才有了非欧体系。
不过在15世纪，西方艺术界才发明了透视法。在透视法之前，画的画跟中国画很像，有了透视法，就截然不同，进入新世界大门了。
中国一直没有透视法，直到17世纪初利玛窦把《几何原本》带到中国，徐光启跟利玛窦一起翻译这本书。有了这本书，我们中国画也有了透视法。下图是中国清代画家焦秉貞画的山水楼阁。
清代山水画
“察目视势，以远近正邪高下之差，照物状可画立圆、立方之度数于平版之上，可远测物度及真形。画小，使目视大，画近，使目视远，画圆，视目视球，画像，有坳凸，画室，有明暗也。”《译几何原本序》利玛窦徐光启
解剖学在绘画里的应用
现代真正的解剖学从文艺复兴时起，达芬奇是先驱。他曾经到墓地，去挖尸体进行解剖，对人体的肌肉、骨骼、内脏等都是第一手的详细了解，看他当年的手稿，让人惊叹。所以到画画时，他很容易地就能画出肌肉的走向和紧张、松弛的样子。
达芬奇解剖手稿达芬奇的素描
达芬奇，文艺复兴时期的最伟大的艺术家，他是个博学的天才，几乎什么领域都精通：
绘画、音乐、建筑、数学、几何学、解剖学、生理学、动物学、植物学、物理学、光学、力学等
不过由于篇幅问题，我先讲一下跟光学有关的内容。再讲之前，先聊聊光和颜色的基本理论。
光
西方绘画对于光一直很重视，因为光代表着光明、圣洁和神圣。在光学理论不够时，那时的西洋画中的光只是表现了光线。艺术界也在等待着科学的加入。
牛顿
在17世纪，出现了一位科学巨匠，牛顿。有位诗人说：
世界处于黑夜中,
上帝说让牛顿去吧,
于是一切处于光明中。
牛顿对光进行了研究。牛顿最有名的一本书是《自然哲学的数学原理》，里面他提出了牛顿三定律，第二本有名的就是《光学》。
牛顿自己制作了三棱镜、透镜和望远镜。牛顿跟爱因斯坦不太一样，爱因斯坦的动手能力要弱于理论能力，牛顿的动手能力极强。他的实验室是剑桥的第一个实验室。牛顿制作望远镜的方法，现在某些地方还在用。
光的分解
牛顿发现白光可以分解成红橙黄绿青蓝紫七个颜色。在牛顿之前，亚里士多德等人都认为光的本色是白色，彩色是特殊色。牛顿告诉大家，亚里士多德、笛卡尔错了，彩色是单色，白色是混合色。
牛顿做了光的折射、反射、颜色等很多实验，他得出一个结论：光是粒子。不过，另外有其他科学家像胡克、惠更斯等提出了不同的概念，认为光是波。现在我们都知道，光是波粒二象性的。
这些知识对于画家来说，也很有用。我们看这幅磨坊
光的反射
镜子是一个绝对平坦、抛光，镜子的背面涂有涂层，让光全部反射出来。这就是我们照镜子的原理。我们看安格尔的这幅画，他画了伯爵夫人在镜子中的背影。
安格尔的画
如果镜子不平，那就是会变成哈哈镜，人或变大或变小。
如果光照在不光滑的表面，比如墙壁，光就在各个方向反射出去，称为漫反射。漫反射的好处是让我们在不同方向都能看到物体。光照不到的地方就会产生阴影。
光的折射
如果一条小河特别清澈，我们能看到水里游动的鱼，甚至能看到水底。光从水里进入空气，或者从空气进入水里，光发生了折射。折射会产生什么后果呢？我们的经验，看着一条浅浅的小河，踩进去，发现实际深度比眼睛看到的要深。
白光在折射时，还会发生色散现象。牛顿用三棱镜把白光分解成彩光，观察到的就是折射时的色散现象，原因是不同颜色的频率不一样，也就是折射率不一样，因此就分开了。
天上的彩虹也是光的折射，下过雨后，空气中有水滴，水滴折射光，形成彩虹。彩霞是光的散射，光照在空气中的微粒分子上，偏离原来的方向。
光还有衍射现象。
光与物体的相互作用
光跟物体主要发生以下几种作用：
被吸收；镜面反射；漫反射；折射；以上情况的组合（散射含有反射和折射）。
如果光照射一个物体，光全部被吸收，那么这个物体呈现出了黑色。如果一个物体吸收了部分光，散射了其他光，像红苹果，吸收了绿光和蓝光，散射了红光，就是红色的。不过，有些部位相当于镜面反射，我们看到的是白光。
颜色
颜色分两种定义，一种叫物理定义，一种叫心理定义。在物理上，一种颜色对应一个波长，也是一个频率的光波。
心理颜色可以是单个波长，也可以是不同波长的叠加。比如说黄色，可以是纯黄色，也可以是红光和绿光的叠加。这两种情况在物理上不同，但我们人来看，感觉到的颜色是一样的。
为此，我们用三个指标来定义颜色：色调、亮度和饱和度。
色调是指看到的颜色。饱和度就是颜色的纯度，比如淡色系，纯度就低，里面白色比较多。亮度就是颜色的相对明暗程度。
从心理感觉来说，纯黄色的饱和度不如红色、绿色和蓝色显得饱和度高。这是因为人眼的视锥细胞对黄光的灵敏度跟其他几个颜色的不一样。
亮度可以用物理颜色的强度来对应。亮度不能测量，强度可以测量，它与强度的对数成正比。不过，亮度还跟环境的照明有关，还有眼睛对颜色和光强的适应有关。
比如，在黑暗中待几分钟，适应了黑暗，再开灯，会觉得暗颜色比没适应黑暗前要亮。
颜色的产生
颜色究竟是怎样产生的呢？
跟照明光有关。苹果用白光照射，呈现出红色。如果用蓝光照明，就会是黑色。
跟物体的色素有关。不同的色素吸收和反射不同波长的光，呈现出不同的颜色。像绿色植物就是含有叶绿素，胡萝卜含有胡萝卜素，呈橙色。
还有跟结构有关。鸟、蝴蝶、甲虫身上绚烂的色彩跟它们身体表面的结构有关。蝴蝶的翅膀上有一排排的极小的棱纹，对光进行反射，发生了干涉作用，产生了虹彩。
像肥皂泡、珍珠都会产生虹彩。
绘画中的加法混色、减法混色
画家如何来获得想要的颜色呢？一般用两种方法，加法混色和减法混色。大部分是减法混色，偶尔用加法混色。
加法混色是用红、绿、蓝三原色相加，来获得不同的颜色。
像梵高就是用加法混色来表现他的画作，梵高的色彩极为浓烈、明亮，就是加法混色的效果。减法混合会失去一些强度，但加法混合不会，所以显得更亮。
还有点彩画，也是加法混色画法。
修拉的画
最常用的是减法混色。减法混色用常用的三原色是青色、洋红和黄色。青色吸收红色，洋红吸收绿色，黄色吸收蓝色。三原色混在一起产生黑色。
我们平常的印刷、油漆和绘画，用的都是减法混色。
除了光学，还有很多科学技术，像显微技术、宇宙学、相对论和量子论等
给艺术带去了新的表达，拓宽了传统美学的内涵。
科学与艺术都是美的统一。
