文图/刘夕庆

本文来自《知识就是力量》杂志

结构是事物各个组成部分的搭配与排列。宇宙万物都会有其自身的结构形态，大至宇宙，小至基本粒子。实际上，科学家或画家们所进行的科学研究和艺术创造等，都离不开对结构的描绘。

描绘宇观结构的画作

“宇观”的概念出自已故中国天文学家、南京大学天文系（现天文与空间科学学院）教授戴文赛先生。该概念描绘了可直接观测但不能以物质手段加以影响或变革的时空区域及结构。

笛卡儿对涡动宇宙结构的描绘(左图)计算机模拟的暗物质“宇宙之网”结构(右图)

17世纪法国哲学家、数学家笛卡儿在他的“世界体系”中，想象着宇宙诸多天体之间，布满了由看不见的物质所形成的涡动结构，并用图画的方式表现出来。虽然后来他的部分观点存在一些认识上的局限，但从21世纪开始，通过理论推算、实验观察或计算机模拟等手段证明，宇宙确实存在大量看不见的透明物质网状结构。

描绘宏观结构的画作

为区别宇观范围，人们将日常可见的、直至到达太阳系距离的，以及基本可用牛顿力学解决的范围称为宏观世界。

1543年，维萨留斯和凯尔卡尔共同绘制了《人体结构》，图中是对肌肉系统结构的素描

16世纪，比利时出生的解剖学家维萨留斯在1543年出版了著名的《人体结构》一书。这是解剖学中一个里程碑事件—它是当时对人体结构方面描述最为精确的一本书。

下面，我们再来说说“混沌”与“分形”。

“分形”概念是简单性产生复杂性的一个极好例证。由一组称为芒德布罗集的复数，通过简单的数学组合便可得到一系列复杂的结构图形。

“蝴蝶效应”的艺术性图解(左图)，对花儿与蜩蝶结构逐渐变化进行描绘的中国画(花瓣结构漸变成为蝶翅结构)(右图)(刘夕庆 | 绘)

“混沌”是一种事物发展的潜结构。“蝴蝶效应”是一位美国气象学家洛伦兹在20世纪中叶提出的，该名词在混沌学中影响较大、流传极广。

描绘介观结构的画作

“介观”这一词汇，由科学家Van Kampen于1981年提出，指的是介乎于微观和宏观之间的状态。其中有一个名为“巴基球（化学式C60）”的结构最为著名。

《无独有偶》中处于介观(纳米段)的巴基球：画中的小球代表碳原子，小球间的短棍代表原子之间的键(刘夕庆 | 绘）

碳有两种主要形态，用来做戒指的钻石和铅笔中的“铅”—石墨，还有几种被称作无定形碳的不规则非结晶体形态。在1985年，克罗托、柯尔和斯莫利发现碳具有另一种全新的结构：其实际形状是一个拥有截二十面体的数学多面体，有20个六边形的面和12个五边形的面，这正是现代足球的典型结构。

描绘微观结构的画作

一般来说，原子尺度、量子力学研究的范围才属于微观世界。

在20世纪微观结构领域中，丹麦物理学家玻尔的原子结构与美国物理学家盖尔曼的夸克结构模型等都对人类认识微观世界起到了极大的促进作用。这些结构模型不但让人们“看到”了原子、中子、质子的“本来面目”，而且还能了解它们的作用机制。20世纪中叶后，美国分子生物学家沃森与英国物理学家克里克合作，采用“拼图”式的方法发现了DNA结构，为解释生命的秘密作出了关键性的贡献。

总之，对结构形态的描绘是画家们所乐于进行的，因为它们有显示其个性的美妙一面，这是艺术之美；而各种自然或人为创造的结构形式，构成了人类认识世界的必经之道，它们在最根本的层面上都是简洁优美的，这是科学之美。艺术之美与科学之美，美美相叠，必将成为科学与艺术相融的大美图景。



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