名画里的“浮光掠影”蕴含着怎样的科学奥秘？｜艺海拾真
撰文 林凤生（上海大学教授、《自然杂志》退休编审）
编辑 韩琨
《创世纪》说，当世界还在混沌之初，上帝说：“要有光”，于是世界上就有了光。然而与光结伴而来的，是与它相依相伴的阴影。在阳光的照耀下，树木、房屋、石碑等等都会投下一条条影子。对于这一司空见惯的现象，远古时代的人是怎样看待的呢？
从一条投影说起
对于阳光下的物体旁边出现的投影，不同类型的古代人有截然不同的看法。有的原始部落迷信：投影是由投射物体创造出来的。他们把投影看成是第二个自我，甚至把它与自己的灵魂、生命力等同起来。如果你踩上别人的投影，会被认为是对他人的侵犯。要是把那人的投影砍一刀，就意味着把这个人“杀死了”。
据记载，在西非的某些原始部落中，人们往往不敢在中午时刻独自走过一块平坦的草地，或者林中的空地——因为他们害怕丢掉自己的影子。到了晚上，他们便不害怕影子丢失，因为天亮后，影子就会回来。
日光下物体的投影不是一成不变的，投影的方向、长短都会随着时间的推移而变化，这引起了崇尚理性的原始天文学家的思考，背后究竟是什么道理？他们很快弄清楚，这是太阳照射的缘故。经过长期观察，古代天文学家发现了投影变化的规律性，他们还利用这些规律，发明了最古老的天文仪器。
我国先秦时期发明的“圭表”就是用来测量日影的计时器。在平地上竖起一根杆子（称为“表”），地面上标出一些刻度（称为“圭”，意思是“尺”）。通过表在圭上面的投影，为当时的人类做了几件了不起的大事情：一是确定方向，例如在我国地区（北半球）太阳东升西落，观看表在地面的投影（称为表影）就可以知道方向；二是确定节气，中午时刻表影最短的就是夏至，最长的就是冬至；据此可以算出一个太阳年的长度和历法的依据；三是确定时刻，根据白天表影的方位可以测定时刻；四是确定地域：古代的裂地封侯，也是通过立表测影来划定封疆的（不同地区在同一时刻的表影长度不一样）。西方也发明了类似的天文仪器日晷（“圭表”的升级版），图1是古代罗马的镶嵌画《持日晷的哲学家阿那克西曼德》。
图1. 古代罗马的镶嵌画《持日晷的哲学家阿那克西曼德》
理性的先辈们孜孜不倦地观察记录日晷上的投影，从中了解由太阳赐给我们的重要信息。那些崇尚感性的古代艺术家们在很长的一段时间里，却对阳光下的投影视而不见。据记载，我国历代绘画中，除极个别作品之外，都不画阴影。即便在山水画里，太阳下，巍峨的山峰投下了巨大的投影，画家们也不当回事。而在写实的西方绘画里，画家对投影也采取了可有可无的态度，常常随心所欲地加一点或减一点，遑论画得是否正确。
图2. 古希腊壁画（罗马复制品）《赫拉克勒斯和婴孩忒勒福斯》
著名艺术心理学家阿尔海姆说：“阴影的重要作用是人类经过几个世纪的漫长摸索之后，才由希腊画家发现的……”（《艺术与视知觉》）。笔者查阅了古希腊的一些绘画作品，确实也很少看到有投影的表达。
图2为古希腊壁画《赫拉克勒斯和婴孩忒勒福斯》（罗马复制品），画中那位力大无穷的英雄赫拉克勒斯在地上留下了一条曲折的投影，凸显出台阶的立体感。但是，画中并没有其他投影，按道理说，赫拉克勒斯还应该在山林女神（坐者）的白衣裙上留下面积比较大的影子。
由此可见，在当时，画家对投影的表达是相当随意的。当然，对于艺术家这样的处理方式，笔者觉得可以理解。毕竟，面对大千世界里铺天盖地的信息时，人们要关注的只能是与自己切身相关的一小部分。天文学家关注投影，因为它与天文立法和农业生产密切相关，而对感性的画家来说，投影不能代表什么，有时候还会破坏画面的美感，所以不去理睬它也是一种明智之举。
光创造了影
考察文艺复兴以前的西方古代的绘画时，我们发现，画家并不关心物体投影的存在，最多也只是在物体周围画一些最基本的影子，聊胜于无。总之，画家向观众展示的是一个没有影子的世界。到了文艺复兴时期，大画家、科学家达芬奇对太阳光和物体投影做了研究，
图3. 达芬奇手稿
图3是他的手稿里关于阳光照在窗子上产生投影的图示和解释。达芬奇还指出了画家不喜欢阴影的道理：“画家很不喜欢光太过于被影子截断。就好像影子是令人不安的、分神的要素，没有影子的作品会更加连贯、和谐。”
确实，也许正是这样的原因，笔者在观赏14-17世纪的绘画作品里，发现画家对物体投影的表达相当混乱。图4是一个比较典型的例子。
图4. 弗拉·卡尼维尔《圣子降生》
《圣子降生》是意大利画家弗拉·卡尼维尔的作品。画面展示了是一个高大宽敞的半开放性建筑，中央的大厅里，几位侍女正在给圣子洗澡，背景的台阶上躺着他的母亲圣母玛利亚。如果你匆匆一瞥，会觉得画面热闹、华丽，但静下心来仔细观赏，就会发现有点不对劲。建筑物前面的广场上有8位女士在地面上留下了向右偏的投影，这说明光源应该来自左上方。但是，考察建筑物内部上方的投影，光源则应该在前上方。其中最明显的错误是：几个巨大的罗马柱竟然没有在地上留下一点点投影。由此可见，画家在表达人、物的投影方面有点随心所欲。
美国哈佛大学视觉科学实验室的神经科学家帕特里克·卡瓦纳说：“即使用上好莱坞的全部聚光灯，也无法复制卡尼维尔画的场景。”他认为，这些是理所当然的事情：“我们很少会注意这些差别，因为大脑对光和反射的直觉理解非常差。”卡瓦纳还研究发现，当大脑在分析投影时，不会对入射光的方向、物体的形状以及物体与它的投影之间的距离等存在的差别等方面，给予太多的关注。
图5是17世纪初篷托尔莫画的木版油画《约瑟和雅各在埃及》。这幅受到了现代著名艺术史家贡布列希点赞的、技术精湛的画师，在这幅作品里，“攀爬旋转楼梯的人物在他们身后的圆形的墙壁上投下了画家精确计算过的影子。”但是笔者对贡布列希的评点也不敢苟同。因为是光产生了影，对于这一幅创作于几百年前的画，无法知道光源的位置，又如何能够计算它产生的投影的位置呢？应该说，在这幅画里，几个人物的投影是映现在曲面而不是平面上的，而关于这一点，画家确实表现得非常精彩。
图5. 篷托尔莫画的本版油画《约瑟和雅各在埃及》
事实上，对于绘画创作来说，投影未必是一个难以安排的累赘，只要处理得当，也可以化平庸为神奇。笔者查阅了一些画册，发现阴影至少有两个作用：一是营造空间；二是烘托气氛。
下面看两个实例。
在营造空间方面，例如英国风景画家透纳的《Petworth公园和远处的Tillington教堂》。这幅风景画的景深相当远，夕阳下的平原显得异常广袤，这样的空间感得益于三三两两的麋鹿投下的长长的影子。经验告诉我们，这时太阳已经快要落山，它发射的光线几乎与地面平行，所以离得相当远，因此，暗示了太阳与麋鹿之间是一马平川，毫无遮掩。
图6. 透纳的《Petworth公园和远处的Tillington教堂》
在烘托气氛方面，以超现实主义画家基里柯的作品为例。在他的作品中，观众可以感受到神秘的梦幻世界，以及蕴含的某种惊悚氛围。事实上，这与他在画里喜欢使用大片阴影有关，而大片的黑暗总是会让人感觉到忐忑不安，图7是他的一幅作品，看了画有没有觉得毛骨悚然？
图7. 基里柯《一日之谜》
影衬托了光
事实上，光在不透明的物体背光面创造了阴影的同时，还在物体的周围还创造了不同程度的深色。1681年佛罗伦萨出版的《Toscano Dell艺术与设计词典》对光与阴影作了这样的定义：“阴影是指物体在自己身上创造的影子，比如说，有这样一个球体，它的一部分受光，并逐渐变得半明半暗，那么，暗的部分就叫做阴影。光和阴影之间的那个区域叫做半影。通过这个区域，光或阴影就像我们已经说过的那样，根据物体的圆度逐渐减少自己的程度而向对立面过渡。投影则是被描绘的物体在地面或者其他地方造成的阴影……”（图8）
图8. 一幅取材于《写实绘画诸要素》的版画，巴黎，1684年
由此可知，从光、半影到阴影，在我们生活的世界里，明暗的层次非常宽泛。物理学把描述光亮度的物理量叫照度（单位是勒克司，即距离一烛光光源1米处的照度）。中午阳光直射下的照度（中纬度地区）为10万勒克司；没有月亮的夜晚，来自天空的照度为0.000 3勒克司。由此可见，自然界里物体的照度相差达到几亿倍。然而，人的视觉细胞没有能力区别和感受如此范围宽广的明暗照度。
不过，人类视觉对此有一种非常管用的应付机制：视知觉与光亮度变化的对数成正比，即亮度变化10倍，视觉感受上变化1倍；亮度变化100倍，视觉感受上变化2倍；亮度变化1000倍，视觉感受上变化3倍，以此类推。这样一来，视觉感受对于亮度的变化不至于过于敏感而到了目不暇接的地步。
虽然说视知觉对光的亮度变化并不敏感，但对光的分辨率却十分灵敏。例如，视觉神经细胞有能力分辨两个相邻的不同照度区域，且不管两者间的差别是1.2勒克司与1.4勒克司，还是1200勒克司与1400勒克司。
读者也许有体会，一张白纸放在暗室里也能感觉到它的明亮，因为它比自己的周围要亮一点。
唐诗《春夜喜雨》云：“野径云俱黑，江船火独明。”说的是春天的夜里淅淅沥沥的小雨下个不停，月亮和星星不露脸，天空里的云和地面上的路都是漆黑一片。但是，眺望远处却见江边小船上的灯火发出荧荧的光亮。当时船上用的是油灯，亮度不大，行走在旷野里的人为什么能够注意到隔了上千米远的船上灯火？原来，人的视觉对光亮度的感觉全凭比较得来的。（图9）
图9. 这是一幅心理学的测试图，画中的圆内部分呈均匀的灰色，但在不同背景的阴影比较下，上部显得比较亮，下部显得比较暗。
正因为这个道理，艺术史上也出现了一个“用黑暗绘就光明”的艺术流派，其创始人就是巴洛克时期的意大利画家米开朗琪罗·达·卡拉瓦乔（1572-1610）。说起卡拉瓦乔是一个我行我素的人，他不仅在处世为人上放荡不羁，在绘画上对传统也是敢于变革，敢于创新。
在他的宗教画里，基督、圣彼得和圣马太等《圣经》里的人物都与当时的普通人十分相像，因此具有强烈的现实感。其次，为了凸显画面的故事情节，他常常把人物放在画的前部，置于强光照射圈内，从而让观众的注意力集中在画面的强光区域，把次要部分隐没在阴暗中，犹如舞台上聚光灯的效果一般。
图10是卡拉瓦乔作品《马太的神召》。此画表达了一个宗教故事：右侧伸长着手、点着手指的基督，正在召唤税吏和他的朋友，明亮的光线从画的右边斜照进来，强烈凸显出芸芸众生脸上不同的表情。这样一来，便通过光线把与故事情节至关重要的部分衬托出来了，同时也隐喻着光明将驱逐灵魂中的黑暗。在幅画中卡拉瓦乔向观众展示了一种经过精心加工、具有强烈的心理活动的戏剧性画面。
图10.卡拉瓦乔《马太的神召》，1598
卡拉瓦乔的宗教画既影响了佛兰德斯的天主教画家，又影响了荷兰的新教画家。乌得勒支画家格·凡·洪托斯特曾侨居意大利，他的宗教画明显受到了卡拉瓦乔的影响。《大祭司前的基督》画中的基督，站在那里手没有被解开，祭司满脸老气横秋，正在侃侃而谈，通过蜡烛的暖光，把二人笼罩起来，构成了画面的中心。画面富有深刻的人性又非常自然，甚至有一种世俗画的亲切感。
图11. 格·凡·洪托斯特《大祭司前的基督》1617
荷兰画家伦勃朗（1606-1669）出生于卡拉瓦乔去世前四年，是继卡拉瓦乔之后的又一位“光影”的大师，大家都叫他“夜光虫”。他画的《哲学家》是一幅很能说明问题的作品。在一间高大但十分阴暗的房舍内，老哲学家坐在宽敞的窗前，阳光透过玻璃窗照射到室内，照亮了书桌和老人，并在墙壁和地板上留下了巨大的阴影。
请注意，哲学家的额头上有一小点亮斑，象征着他思维的光芒，而在窗框上可以看到条状的阴影。科学家用光度计测量可知，条状阴影的实际亮度要比哲学家额头上的光斑还要亮一些，但是看起来却一处是阴影，一处是亮斑，这正是它们与周边环境的亮度比较后令人产生的视觉感受。
在这幅画中，伦勃朗巧妙地采用了背景亮度的变化，衬托出了哲学家的额头。为了做到这一点，他对真实场景的照明作了修正，画中窗口的亮度比房间的左下角仅仅亮了15倍——如果在真实的情况里，两者的亮度之比也许要超过100倍。
图12. 伦勃朗《哲学家》
英国画家约瑟夫⋅赖特（1734-1797）是伦勃朗画法的继承者。由于受到荷兰绘画的影响，他也喜欢追求光的明暗对照效果：在画作中故意弄暗环境，凭月光或火光的效果来展现实验的场景，隐喻彼时科学常常隐藏了对于不可知的敬畏与浪漫情感。
他在1765至1768年间所作的烛光夜景画是一组系列绘画，画的主题都与当时的科学技术有关，如笔者以前介绍过的《磷的发现》（参考“视觉的欺骗”一文），就是其中的一幅。《气泵里的鸟实验》是赖特所作的烛光夜景画中的另一幅。
图13. 赖特《气泵里的鸟实验》
在这幅画中一位科学家正在演示气泵的原理，随着空气被抽走，可观察到小鸟垂死的挣扎，如果及时将空气再送回，它又将死而复生。这个实验生动地演示了当时发明不久的气泵的原理，但小鸟却备受折磨直到死亡。对于大多数信奉宗教的英国民众来说，观看这样的演示无疑要经历一次良心上的拷问。但画中的观者有的神情淡漠，有的兴致勃勃，只有一位天真的女孩不忍心潸然落泪，整个画面极富张力。它真切地展现了在科学和理性之光阴影下隐藏的残酷。光线照明使小女孩的面容生动而逼真。这种利用面部阴影的变化表现出立体感和层次感的画法，也称为明暗法，其效果在本画中得到了很好的体现。
图14. 小女孩面部特写
请注意，画的右上方有一轮明月，是这一组系列画的logo，仔细观看可以觉得月亮格外皎洁，这是马赫带烘托明月产生的视觉效果。原来，在明暗不同区域的交界边缘，还会产生一种特别的视错觉叫作马赫带，那是1868年由奥地利物理学家马赫发现的。
如果你站在明媚的阳光下，地面上会投下一片灰暗的身影。仔细观察，你会发现影子和明亮的地面之间有一条很窄的过渡区，在过渡区的两侧，在影子的边缘有一条特别暗的细线，而亮的一侧则有一条特别亮的细线，就好像有人把你的影子的轮廓特别勾画出来一样。科学家用仪器测试这条边缘的照明值，发现事实上并不存在这样的亮线和暗线。换句话说，这只是一种错觉，是一种主观的边缘对比效应。科学家认为，这是视觉神经细胞内部存在某种相互抑制造成的。显然，这种效应如果能够巧妙地融入绘画创作之中，便能收到渲染烘托的效果。
图15. 马赫带示意图
让我们再来欣赏一幅具有马赫带效应的名画。
图16. 库茵芝的杰作《第聂伯河的月夜》
乌克兰风景画家库茵芝的杰作《第聂伯河的月夜》展现了第聂伯河的月夜流光溢彩的奇妙景观，曾被俄罗斯大画家列宾赞为“触动观众心灵的诗”。
画中明月当空，观者只要细看，便可以观察到在月亮与夜空交界的地方有两条清晰的马赫带圆环（即亮环和暗环），使皓月从灰色的天穹背景中凸显出来，分外皎洁。明朗的亮环还会令月体内部显得有点朦胧，引发观者对有关月亮的传说产生无限遐想。围绕着月亮周围的彩云，则由灰色的天穹背景映衬出来。画家还使用同样的方法营造出了第聂伯河水波涟漪、浮光跃银的美景。整幅画洋溢着一种渺茫、旷远和宁静的气氛，让人想起旋律优美的《月光奏鸣曲》。1880年此画在圣彼得堡展出时引起轰动，观众如潮，一时传为美谈。
在西方绘画里，光影的对比和衬托（明暗法）与几何透视法一样，都是融科学与艺术于一体的智慧结晶，也是写实画法的重要基础。
（注：本文插图均来自公有领域）
参考文献
[1] 鲁道夫·阿恩海姆著．滕守尧译．艺术与视知觉．四川人民出版社，1998．
[2] Margaret Livingstone，David Hubel．Vision and Art: The Biology of Seeing, Harry N. Abrams, Inc. 2008．
[3] E.H.贡布里希．王立秋译．阴影．重庆大学出版社，2016.11
[4] 斯蒂芬·琼斯等著．钱乘旦译．剑桥艺术史（17世纪艺术）. 凤凰出版传媒集团，译林出版社，2009.
[5] 顾凡及．脑科学的故事．上海科技出版社，2011
[6] 兰茨别尔格主编．初等物理学．上海教育出版社，1965
[7] Jessica Griggs, New Scientist, 18 September 2010
[8] 吴声功．铜铁时代的科技进展．上海社会科学出版社，1990
延伸阅读
赛先生2017科普创作协同行动
第七轮选题征集
（投票截止时间为5月7日14时）
如果以上你都不感兴趣，请给我们留言，大声说出你的选题！
本页刊发内容未经书面许可禁止转载及使用。
投稿、授权等请联系：saixiansheng@zhishifenzi.com
您可回复"年份+月份"（如201701），获取指定年月文章，或返回主页点击子菜单获取或搜索往期文章。
赛先生为知识分子公司旗下机构。国际著名科学家文小刚、刘克峰担任《赛先生》主编。
我们相信，每个人都可以成为“赛先生”。
微信号：iscientists
▲长按图片识别二维码，关注我们
点击“阅读原文”，加入科学队长
