結(jié)構(gòu)是事物各個組成部分的搭配與排列。宇宙萬物都會有其自身的結(jié)構(gòu)形態(tài)，大至宇宙，小至基本粒子。實(shí)際上，科學(xué)家或畫家們所進(jìn)行的科學(xué)研究和藝術(shù)創(chuàng)造等，都離不開對結(jié)構(gòu)的描繪。有些先前不被人所知的結(jié)構(gòu)圖景大白于天下時(shí)，甚至對科學(xué)產(chǎn)生了突破性發(fā)展，如原子結(jié)構(gòu)、DNA結(jié)構(gòu)等。本期我們探討畫家們?nèi)绾螌Ω鞣N層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行描繪以及發(fā)揮其科學(xué)和藝術(shù)的作用。

描繪宇觀結(jié)構(gòu)的畫作

“宇觀”的概念出自已故中國天文學(xué)家、南京大學(xué)天文系（現(xiàn)天文與空間科學(xué)學(xué)院）教授戴文賽先生。該概念描繪了可直接觀測但不能以物質(zhì)手段加以影響或變革的時(shí)空區(qū)域及結(jié)構(gòu)，包括星團(tuán)、星系、星系團(tuán)、超星系團(tuán)、總星系團(tuán)及遍布宇宙空間的射線和引力場所構(gòu)成的物質(zhì)系統(tǒng)。而對宇觀世界結(jié)構(gòu)的描述需借助廣義相對論和星系力學(xué)等。

這是借助計(jì)算機(jī)繪制的一幅彩色畫作，表現(xiàn)了星系中黑洞與星云等天體結(jié)構(gòu)的融合

17世紀(jì)法國哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家笛卡兒在他的“世界體系”中，想象著宇宙諸多天體之間，布滿了由看不見的物質(zhì)所形成的渦動結(jié)構(gòu)，并用圖畫的方式表現(xiàn)出來。雖然后來他的部分觀點(diǎn)存在一些認(rèn)識上的局限，但從21世紀(jì)開始，通過理論推算、實(shí)驗(yàn)觀察或計(jì)算機(jī)模擬等手段證明，宇宙確實(shí)存在大量看不見的透明物質(zhì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

描繪宏觀結(jié)構(gòu)的畫作

為區(qū)別宇觀范圍，人們將日?？梢姷?、直至到達(dá)太陽系距離的，以及基本可用牛頓力學(xué)解決的范圍稱為宏觀世界。

16世紀(jì)，比利時(shí)出生的解剖學(xué)家維薩留斯在1543年出版了著名的《人體結(jié)構(gòu)》一書。這是解剖學(xué)中一個里程碑事件—它是當(dāng)時(shí)對人體結(jié)構(gòu)方面描述最為精確的一本書。該書有大量的精美插圖，許多肌肉組織與器官結(jié)構(gòu)的繪制具有科學(xué)性，并且這些精美的人體結(jié)構(gòu)插圖都是出自維薩留斯和凱爾卡爾（威尼斯大畫家提香的學(xué)生）之手。

英國太空畫家哈代的畫作《近看星系》，它讓我們仿佛在近距離上看清了旋渦星系的結(jié)構(gòu)

1996年，混沌與分形的創(chuàng)始人費(fèi)根鮑姆、芒德布羅等與中國同行一起參加了以“復(fù)雜與簡單”為主題的學(xué)術(shù)討論會。中國現(xiàn)代著名繪畫大師吳冠中以“復(fù)雜與簡單”為主題繪制了一幅描繪自然世界結(jié)構(gòu)形態(tài)的畫作，并做了配畫詩，以概括其畫作的神韻。

在這里，我們不得不說說“分形”這一概念，該概念是簡單性產(chǎn)生復(fù)雜性的一個極好例證。由一組稱為芒德布羅集的復(fù)數(shù)，通過簡單的數(shù)學(xué)組合便可得到一系列復(fù)雜的結(jié)構(gòu)圖形。

“蝴蝶效應(yīng)”是一位美國氣象學(xué)家洛倫茲在20世紀(jì)中葉提出的，該名詞在混沌學(xué)中影響較大、流傳極廣，應(yīng)該說它是一種對初始條件的某種依賴和放大效應(yīng)，洛倫茲在演講中提到：一只蝴蝶在巴西扇動翅膀，有可能會在美國的得克薩斯引起一場龍卷風(fēng)。用專業(yè)的話來講，大氣的行為對于小振幅擾動可能產(chǎn)生不穩(wěn)定的劇烈狀態(tài)。更深層次地講，混沌是一種事物發(fā)展的潛結(jié)構(gòu)。我們甚至可以用繪畫的形式對這種關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)加以表現(xiàn)。

描繪介觀結(jié)構(gòu)的畫作

“介觀（mesoscopic）”這一詞匯，由科學(xué)家Van Kampen于1981年提出，指的是介乎于微觀和宏觀之間的狀態(tài)，包括從微米、亞微米、納米到團(tuán)簇尺寸（從幾個到幾百個原子以上尺寸）的范圍領(lǐng)域。其中有一個名為“巴基球（化學(xué)式C60）”的結(jié)構(gòu)最為著名，它與我們所喜愛的足球結(jié)構(gòu)的經(jīng)典形象十分吻合，即碳家族中一種完美的對稱構(gòu)造。由于這個結(jié)構(gòu)的提出是受到建筑學(xué)家巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）的啟發(fā)，因此科學(xué)家把C60叫作富勒烯，也叫足球烯。

笛卡兒對渦動宇宙結(jié)構(gòu)的描繪（左圖） ? ?計(jì)算機(jī)模擬的暗物質(zhì)“宇宙之網(wǎng)”結(jié)構(gòu)（右圖）

知識鏈接

富勒烯名字的由來

克羅托等人之所以能夠勾畫出C60的分子結(jié)構(gòu)，巴克敏斯特·富勒的啟示起了關(guān)鍵性作用，他們一致建議，用巴克敏斯特·富勒（Buckminster Fuller）的姓名加上一個詞尾-ene來命名C60及其一系列碳原子簇，稱為Buckminsterfullerene，簡稱Fullerene，中譯名為富勒烯。

1996年，克羅托、柯爾和斯莫利被授予諾貝爾化學(xué)獎，表彰他們發(fā)現(xiàn)了被稱作富勒烯的全碳足球分子，該發(fā)現(xiàn)開啟了碳化學(xué)研究的一方新天地。碳有兩種主要形態(tài)（或者稱同素異構(gòu)體），用來做戒指的鉆石和鉛筆中的“鉛”—石墨，還有幾種被稱作無定形碳的不規(guī)則非結(jié)晶體形態(tài)。在1985年，克羅托、柯爾和斯莫利發(fā)現(xiàn)碳具有另一種全新的結(jié)構(gòu)：其實(shí)際形狀是一個擁有截二十面體的數(shù)學(xué)多面體，有20個六邊形的面和12個五邊形的面，這正是現(xiàn)代足球的典型結(jié)構(gòu)。多數(shù)化學(xué)家相信將來會證明這是許多重要化學(xué)制品的構(gòu)件—巴基球化學(xué)擁有廣闊的研究前景。

“蝴蝶效應(yīng)”的藝術(shù)性圖解（上圖）（劉夕慶/繪） ?對花兒與蝴蝶結(jié)構(gòu)逐漸變化進(jìn)行描繪的中國畫（花瓣結(jié)構(gòu)漸變成為蝶翅結(jié)構(gòu)）（下圖）（劉夕慶/繪）

描繪微觀結(jié)構(gòu)的畫作

一般來說，原子尺度、量子力學(xué)研究的范圍才屬于微觀世界。在科學(xué)史上，對微觀結(jié)構(gòu)的描繪是從顯微鏡發(fā)明后開始的。例如，17世紀(jì)英國的胡克因其對彈性的研究而聞名于世，但他同時(shí)也以生物學(xué)家而名揚(yáng)四海，尤其對昆蟲的顯微研究。1665年他第一次觀察微觀細(xì)胞級別的構(gòu)成，并于同年出版了《顯微術(shù)》一書，展示了其顯微研究的成果。該書內(nèi)有57幅精確的素描插圖，大部分是胡克本人所作，它們顯示了人們?nèi)庋劭床灰姷钠嫣貥?gòu)造，例如蒼蠅的復(fù)眼、蜜蜂的細(xì)刺、跳蚤的身軀等，因此，有些科學(xué)史書籍稱胡克為插圖大師。

在20世紀(jì)微觀結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中，丹麥物理學(xué)家玻爾的原子結(jié)構(gòu)與美國物理學(xué)家蓋爾曼的夸克結(jié)構(gòu)模型等都對人類認(rèn)識微觀世界起到了極大的促進(jìn)作用。這些結(jié)構(gòu)模型不但讓人們“看到”了原子、中子、質(zhì)子的“本來面目”，而且還能了解它們的作用機(jī)制。在原子結(jié)構(gòu)等物理化學(xué)理論的觸發(fā)下，也就是在20世紀(jì)中葉后，美國分子生物學(xué)家沃森與英國物理學(xué)家克里克合作，采用“拼圖”式的方法發(fā)現(xiàn)了DNA結(jié)構(gòu)，為解釋生命的秘密作出了關(guān)鍵性的貢獻(xiàn)。相較于科學(xué)家，20世紀(jì)的杰出科學(xué)思想畫家埃舍爾則給后人留下了更多的以精美結(jié)構(gòu)著稱的經(jīng)典畫作。

總之，對結(jié)構(gòu)形態(tài)的描繪是畫家們所樂于進(jìn)行的，因?yàn)樗鼈冇酗@示其個性的美妙一面，這是藝術(shù)之美;而各種自然或人為創(chuàng)造的結(jié)構(gòu)形式，構(gòu)成了人類認(rèn)識世界的必經(jīng)之道，它們在最根本的層面上都是簡潔優(yōu)美的，這是科學(xué)之美。藝術(shù)之美與科學(xué)之美，美美相疊，必將成為科學(xué)與藝術(shù)相融的大美圖景。