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《科学画报》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

由中国科学社于1933年8月创刊,距今已有80年的历史。《科学画报》在80年的办刊历程中,形成了通俗生动、图文并茂地介绍最新科技知识,形式多样地普及科学技术的特点,对提高广大群众的科学水平,启发青年爱好科学、投身科学事业起了很大的作用,当今的不少著名学者、教授、科学家,青少年时代都曾受到它的熏陶和启发。

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光创造了影,影衬托了光

2014-08-29 16:14:07

/林凤生


唐代诗人杜甫的《春夜喜雨》里有诗句:“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然的光亮。当时船上用的是油灯,亮度不会大,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。

 

由对比感知亮度

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0.0003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,人的视觉细胞是没有能力来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,而杜甫能在黑夜里看见远处的渔火也就是这个道理。

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用黑暗绘就光明

有“夜光虫”之称的荷兰画家伦勃朗是一位画技足以与意大利文艺复兴诸巨匠抗衡而又风格迥异的大画家。如果说意大利威尼斯画派(贝里尼、提香等)以色彩见长,意大利佛罗伦萨画派(达·芬奇、拉菲尔等)以透视、写实称雄,那么伦勃朗则以成功的光暗表达名垂画史,后人赞扬他用“黑暗来绘成光明”。确实,伦勃朗的画大多色彩阴暗,可能因为荷兰的建筑窗少而小,室内光线微弱,人们习惯这样的环境吧!但是,阴暗的背景往往更能衬托出画的主题,吸引观者的眼球。

《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,年老的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,但是看起来的却一处是阴影,一处是亮斑,那就是它们与周边环境的亮度比较后产生的视觉感受。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做了修正,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。

伦勃朗出生于荷兰兰顿的一个磨坊主家庭,自幼学习绘画,弱冠时便挟技来到阿姆斯特丹,过起“阿漂一族”的生活并以画肖像画一举成名。可是好景不长,不久他便惹上了麻烦。原来该市的一个新组建的国民自卫队按惯例要画一幅“全家福”肖像图,悬挂在市政大厅里供人观赏。他们找到了伦勃朗请他执笔。这类“全家福”就像现在的集体照,大家排成几排,只要每个人都留下一个清晰的脸就行了。但是,艺高人胆大的伦勃朗不落窠臼,把它画成一幅富有动感的作品(即世界名画《夜巡》)。谁知,这却引起订购者——自卫队员们的大为不满。因为这幅画的润笔费是由16位自卫队员平摊的,那些见到自己被冷落当配角的队员当然不乐意了。双方发生了争执,而伦勃朗坚持不做修改,最后只能诉讼到法庭,并以伦勃朗败诉告终。从此,伦勃朗一蹶不振(队长戈克是后来的市长,其余队员也都是有钱有势的人),最后一贫如洗,到画店打工来维持生计。但是,他穷且益坚,仍创作许多杰作。

伦勃朗以画肖像画见长,他一生画过许多幅自画像,忠实地表现出自己当时的面貌,既有风流倜傥的青年,也有穷困潦倒的晚年,从不加以掩饰。20049月,《新英格兰医学》杂志发表了哈佛大学医学院专家的论文,他们研究了伦勃朗各个时期的36幅自画像(24幅油画,12幅铜版画),发现其中绝大多数作品里,伦勃朗的一只眼睛直接面对观者,另一只眼睛侧面歪斜,因此推测伦勃朗的一只眼睛几乎没有视力。

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马赫带烘托明月

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,而在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。科学家用仪器去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。

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,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。特别是明朗的亮环,反而让月体内部显得有点朦胧,给观者对有关月亮的传说产生无限的遐想。围绕着月亮周围的彩云是由灰色的天穹背景映衬出来的,同样的方法也营造出第聂伯河水波涟漪、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贝多芬的《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。

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——选自《科学画报》2014年第8

 






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