劉夕慶

我們經(jīng)常會在一些科學(xué)畫作中看到對科學(xué)儀器、設(shè)備的描繪，它們一方面是科學(xué)繪畫的有機(jī)組成部分——襯托畫面的主體或本身就是畫作的主體;另一方面也是畫家在用形象語言說明繪畫作品的科學(xué)性質(zhì)和學(xué)科類別。但有時(shí)因?yàn)楫嫾也⒉皇强茖W(xué)專家，也難免在描繪科學(xué)儀器時(shí)出錯(cuò)。

測量儀器畫中見

中國已故著名科學(xué)家錢學(xué)森在談到新技術(shù)革命的關(guān)鍵技術(shù)時(shí)曾指出：“……測量技術(shù)是關(guān)鍵和基礎(chǔ)”。實(shí)際上，計(jì)量或測量工具與儀器的發(fā)明也是人類儀器發(fā)展史中最早使用的，包括對時(shí)間、空間（長度、角度等）、重量、速度的測量等。

計(jì)量儀器儀表發(fā)展歷史悠久。公元前1450年，古埃及就有綠石板影鐘用于計(jì)量時(shí)間;公元前600年至公元前525年，也有用棕櫚葉和鉛垂線記錄夜間時(shí)間和特定天體的儀器。而在中國，東漢中期有小型折疊銅質(zhì)民間測影儀器，蘇頌和韓公謙更是在1088年（北宋時(shí)期）制作了天文計(jì)時(shí)器 —— 天文儀象臺。這是一臺采用民間使用的水車、筒車、桔槔、凸輪和天平秤桿等機(jī)械原理，集觀測、演示和報(bào)時(shí)為一身的“自動(dòng)化”天文鐘，也被稱為水運(yùn)儀象臺。

計(jì)量是為了更加精確的觀測，但測量是有限度的，最小的儀器不可能小于亞原子——德國物理學(xué)家海森堡于1927年提出了著名的“測不準(zhǔn)原理”。他認(rèn)為：一個(gè)測量儀器無論再小，它的體積最多可以小到同一個(gè)亞原子粒子相當(dāng)，但卻不能小于亞原子粒子。用這種測量儀器來測量電子的行為時(shí)，這種變化相對電子來說，就顯得很大。當(dāng)測定某個(gè)電子在空間的位置時(shí)，為了看到這個(gè)電子，就必須讓一個(gè)光量子從它上面彈回來。而當(dāng)我們看到這個(gè)被彈回的光子時(shí)，電子的情況已發(fā)生了明顯的變化。

到了現(xiàn)代，隨著X射線、γ射線先后被德國科學(xué)家倫琴、法國科學(xué)家維拉德（Pal Ulrich Villard）發(fā)現(xiàn)，儀器的功能與概念被進(jìn)一步推向更深的領(lǐng)域，如X光檢查機(jī)、線寬檢測儀等儀器，就是采用X射線、γ射線的超強(qiáng)穿透力研發(fā)出的先進(jìn)檢測儀器設(shè)備。

1814年，德國物理學(xué)家夫瑯和費(fèi)在測試新制造出的棱鏡時(shí)，發(fā)現(xiàn)太陽光譜中有許多暗線。在此之前，他在燈光光譜中發(fā)現(xiàn)了鈉的譜線，因此，他也希望在太陽中發(fā)現(xiàn)這些特征譜線。夫瑯和費(fèi)將太陽光譜記錄下來，并將發(fā)現(xiàn)的暗線用字母標(biāo)出。這些暗線今天被稱為夫瑯和費(fèi)線。后來，他又多次觀察月光和行星的反射光，發(fā)現(xiàn)其光譜與太陽光譜完全相同。1821年，夫瑯和費(fèi)第一個(gè)用光柵（間隔很小的細(xì)絲）作為折射裝置，使太陽光形成了一個(gè)更精細(xì)的光譜。利用光柵，他試著測定了太陽譜線的波長。

20世紀(jì)后，電子技術(shù)的發(fā)展使各類電子儀器快速產(chǎn)生，如今普及全球的電子計(jì)算機(jī)，便是從這一時(shí)代開始崛起的。同時(shí)，隨著工業(yè)化程度的不斷提高，各行各業(yè)的電子儀器如雨后春筍般地出現(xiàn)，如計(jì)量、分析、生物、天文、汽車、電力、石油、化工儀器等。

實(shí)驗(yàn)儀器畫中顯

精確定量是現(xiàn)代科學(xué)的特征，牛頓的萬有引力定律使得在他之前的眾多天文學(xué)家所觀測到的精確實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了完美地統(tǒng)一。1687年，牛頓出版了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，為天文學(xué)和物理學(xué)上的科學(xué)革命打上了圓滿的句號。反之，化學(xué)革命則要滯后得多。一個(gè)重要原因是，化學(xué)現(xiàn)象涉及物質(zhì)的變化，尤其是氣體物質(zhì)的變化，這使得精確定量非常困難。拉瓦錫認(rèn)為必須用天平進(jìn)行精確實(shí)驗(yàn)測定來確定化學(xué)理論。

好在18世紀(jì)后二三十年里，法國的精密儀器制造業(yè)追上了英國的腳步，能夠?yàn)榛瘜W(xué)研究提供所需的工具。拉瓦錫選擇了天平作為精確測量的儀器，把它與熱量計(jì)、氣量計(jì)共同使用，與計(jì)算方法聯(lián)系起來，追蹤反應(yīng)中所出現(xiàn)的數(shù)量變化。為拉瓦錫制造天平、溫度計(jì)、燃燒設(shè)備的是當(dāng)時(shí)知名的科學(xué)儀器制作商，因此，他擁有幾乎是當(dāng)時(shí)最精確的天平，精確度達(dá)到毫克級。其他人沒有這些儀器，因此難以重復(fù)他的實(shí)驗(yàn)。

拉瓦錫對實(shí)驗(yàn)精確測量的高要求，還體現(xiàn)在與數(shù)理科學(xué)家拉普拉斯的合作上。他們共同測量燃燒和呼吸過程中熱量的釋放，特別是把使用天平進(jìn)行精確測量的方法應(yīng)用到水的分解和合成實(shí)驗(yàn)中。

拉瓦錫被稱為“近代化學(xué)之父”，而他的夫人不但喜愛搞化學(xué)研究，還在繪畫方面很有造詣，拉瓦錫所寫書籍的插畫基本都是他的夫人繪制的。除此之外，夫人還保存著拉瓦錫的實(shí)驗(yàn)記錄，在她去世之前，幾乎能夠還原出拉瓦錫全部的實(shí)驗(yàn)筆記和儀器。

觀測儀器畫中現(xiàn)

儀器儀表能改善、擴(kuò)展或補(bǔ)充人的官能。人們用感覺器官去看、聽、嘗和觸摸外部事物，而顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、聲級計(jì)、酸度計(jì)、高溫計(jì)等儀器儀表可改善和擴(kuò)展人的這些官能。還有些儀器儀表可以超過人的能力去記錄、計(jì)算和計(jì)數(shù)，如高速照相機(jī)、計(jì)算機(jī)等。在觀測儀器中，最典型的莫過于觀測“最遠(yuǎn)最大”天體等的望遠(yuǎn)鏡和觀測“最近最小”微生物等的顯微鏡了。

望遠(yuǎn)鏡不僅揭露了星體的物理性質(zhì)，而且從根本上深入揭示了整個(gè)宇宙中多種問題的新本質(zhì)。其中之一是光的性質(zhì)（因?yàn)樵缙诘奶煳耐h(yuǎn)鏡都是可見光學(xué)望遠(yuǎn)鏡）——后來證明光在物理上屬于一種物質(zhì)存在形式，愛因斯坦在20世紀(jì)初論述了光的波粒二象性本質(zhì)。經(jīng)過觀察和測量，光以約30萬千米/秒的速度在宇宙中運(yùn)行。后來望遠(yuǎn)鏡家族又增添了射電望遠(yuǎn)鏡等諸多新成員—— γ射線、X射線、紅外線等波段的望遠(yuǎn)鏡，宇宙微波背景輻射、類星體、脈沖星和星際分子都是射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的。

列文虎克是17世紀(jì)的荷蘭顯微鏡學(xué)家及微生物學(xué)的開拓者。盡管幼年沒有受過正規(guī)教育，但由于勤奮及本人特有的天賦，他磨制的透鏡遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同時(shí)代人。他的放大透鏡以及簡單的顯微鏡種類很多，透鏡的材料有玻璃、寶石、鉆石等。其一生磨制了400多個(gè)透鏡，有一架簡單的透鏡，其放大率竟達(dá)270倍。

他對放大透鏡下所展示的顯微世界非常有興趣，觀察的對象也非常廣泛，有晶體、礦物、植物、動(dòng)物、微生物、污水等。1674年他開始觀察細(xì)菌和原生動(dòng)物（即他所謂的“非常微小的動(dòng)物”），并測算了它們的大小。

列文虎克是第一個(gè)用放大透鏡儀器看到細(xì)菌和原生動(dòng)物的人。盡管他缺少正規(guī)的科學(xué)訓(xùn)練，但他對肉眼看不到的微小世界的細(xì)致觀察、精確描述和眾多驚人發(fā)現(xiàn)，卻對18世紀(jì)和19世紀(jì)初期細(xì)菌學(xué)和原生動(dòng)物學(xué)的研究發(fā)展起了奠基作用。他根據(jù)用簡單顯微鏡所看到的微生物而繪制的圖像，今天看來依然是正確的。

科學(xué)儀器能改善、擴(kuò)展或補(bǔ)充人的感官功能，因而就會發(fā)現(xiàn)人的感覺器官所不能感覺到的東西——這是科學(xué)獲得不斷發(fā)展的原因之一。上述各類畫作中，記錄了科學(xué)史上不同階段科學(xué)家利用科學(xué)儀器進(jìn)行科學(xué)發(fā)現(xiàn)的畫面，它們既是藝術(shù)作品，又是科學(xué)史話，值得我們欣賞和借鑒。

（責(zé)任編輯/岳萌 ?美術(shù)編輯/劉強(qiáng)）