科學與藝術的交融怎樣激發靈感？_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-08-28 16:57
科學和藝術通常是分開的，科學中的分支學科也是如此。但情況並不總是這樣。今天，從科學啓發的藝術，到作為解釋或説明科學的工具的藝術，到藝術家探索的科學，再到促進科學理解的合作（這或許是最罕見的），彼此之間都有聯繫。
撰文 | Toni Feder
翻譯 | 張羿
審校 | 廖黛酈
看過電影《異形奇花》（Little Shop of Horrors）之後，安德魯·佩林（Andrew Pelling）和他的研究小組想知道他們是否能創造出一種有肌肉的植物。他們的靈感來自於這部1986年的電影中的一種吃人的怪物植物“奧黛麗二世”。他們嘗試在一片葉子上生長肌肉組織，但失敗了，但這一嘗試引發了佩林團隊在過去十年中蓬勃發展的一個研究方向：用植物和聚合物為基礎的支架來生長哺乳動物組織。佩林説，最近他們已經發現，一種源自蘆筍的支架可以引導神經元的生長，用於治療脊髓損傷。他們還一直在研究一種新的聚合物支架，該支架是由實驗室中的一位紡織藝術家開發的。
從一開始，佩林在渥太華大學物理系的研究小組就包括了科學家和藝術家——雕塑家、畫家、數字媒體藝術家等；目前，大約15名成員中有3名是藝術家。佩林説：“我認識的每一位藝術家都忙着質疑和研究這個世界，就像科學家一樣。”佩林的目標是提出一些以前沒有被問到過的問題。“對我來説，最好的方式就是讓不同的人聚在一起，共享午餐，閒聊。這種互動既帶來了博物館藏品，也帶來了科學進步。”
科學和藝術通常是分開的，科學中的分支學科也是如此。但情況並不總是這樣，比如，列奧納多·達·芬奇（Leonardo da Vinci）研究摩擦和其他主題，還有與達·芬奇同時代的15世紀畫家、數學專著作者皮耶羅·德拉·弗朗西斯卡（Piero della Francesca）。今天，從科學啓發的藝術，到作為解釋或説明科學的工具的藝術，到藝術家探索的科學，再到促進科學理解的合作（這或許是最罕見的），彼此之間都有聯繫。
1. 間接的靈感
阿格尼斯·莫西（Ágnes Mócsy）是紐約布魯克林的普拉特學院的物理學和天文學教授，該學院強調藝術、設計和建築。對她來説，約瑟夫·斯特拉（Joseph Stella）的布魯克林大橋畫作引發了一場關於多普勒效應[1]的討論。傑克遜·波洛克（Jackson Pollock）的畫暗示了動量、能量和流體動力學。雕塑可以用來談論質量和空間，以及廣義相對論。對比東方和西方文化的藝術作品，可以闡釋對空間和時間的不同感覺。“當你面對一幅畫或一座雕塑時，沒有正確或錯誤的答案，所以人們可以感覺更舒服地敞開心扉，”莫奇説，她以前在布魯克海文國家實驗室從事重離子理論工作，現在專注於物理教育，強調物理學和藝術的交叉。她繼續説，物理學常常使人疏遠。“我對豐富我們講述的物理故事很感興趣。在我的工作中，藝術、科學和社會正義是相互聯繫的。”
和莫西一樣，凱瑟琳·謝弗（Kathryn Schaffer）離開了研究密集型的職業，轉而為藝術家們教授物理學。（在一次採訪[2]中，她描述了自己退出有毒的物理文化的經歷，以及關於她的生活和職業的更多信息。）自2009年以來，她一直負責監督芝加哥藝術學院的科學項目。她在那裏啓動了一個科學家駐校計劃，並經常邀請科學家來做講座。她説，儘管科學並不依賴於藝術，但科學“在藝術世界中是不可或缺的”——從工具和技術到藝術家處理的主題，無不如此。她説，儘管如此，藝術家與科學家的合作對科學家來説還是有價值的，這難以衡量。例如，創造性的跨學科合作可以“重新將注意力集中在我們從事科學實踐所需要的好奇、關心和獨特的人類的本性上。”
2003年，比約恩·賈姆特維特（Bjørn Jamtveit）擔任挪威奧斯陸一所關於地質過程物理學的新中心的主任，他請來了畫家、攝影師和其他藝術家與該中心的科學家合作。一位作曲家與一位研究岩石變形應力的科學家合作，利用地質聲音創作作品；其中一個是一種走進式裝置，用岩石破裂的聲音環繞着參觀者。（藝術與科學合作的聲音例子可以在這個故事的在線版本中找到。）賈姆特維特説，科學家應該是客觀的，但他們經常看到他們正在尋找的東西或他們認識到的熟悉的東西。賈姆特維特最初尋求合作是為了通過優秀的推廣來增加未來獲得資助的機會。他説：“由於我與藝術家的互動，我已經成為一個更好的觀察者。”
與數學家密切合作的藝術家託尼·羅賓（Tony Robbin）描繪了彎曲的三維晶格。編織的晶格由不同的多面體進行顏色編碼和標識。他解釋説，在更高的維度上，晶格在彼此的上方和下方流動，但在投影中，它們似乎是相交的。
奇塞爾陣列（Chixel Array）是一個用從一元店買來的東西和從垃圾堆裏撿來的東西做成的燈光雕塑。它始於用像素點亮玩具雞的想法，並涉及設計電路和編碼。“這既愚蠢又深奧。”渥太華大學生物物理學家的創始人安德魯·佩林説。但是，他説，“它象徵着我的實驗室的工作方式。在這一切的背後，我們正在培養一支能夠承擔任何項目的科學團隊——一個在項目進行過程中能夠自如地進行故障排除、迭代和轉向的團隊。”
這張圖片中纏繞的網是由不同種類的蜘蛛編織而成的。它來自Arachnophilia，一個由柏林藝術家托馬斯·薩拉切諾（Tomás Saraceno）發起的跨學科研究項目，研究蜘蛛網結構、振動信號等等。薩拉切諾開發了一種掃描儀，將蜘蛛網數字化，並記錄下了蜘蛛網振動的聲音。
Geoprint是藝術家埃倫·卡林·米勒姆（Ellen Karin Mæhlum）的系列作品。她和奧斯陸大學地質過程物理中心的科學家一起參加了斯瓦爾巴特羣島的北極探險，探索岩石和火星環境中生命形式之間的關係。這些圖片基於不同比例的形式和圖案，包括這裏展示的P0911和封面上的V7010的圖像，是用印版、乾點和模板分層形成的。
聲學懸浮的水滴在幾乎沒有剪切力的情況下旋轉時產生共振、汽化並重新組合。創作者伊芙琳·多姆尼奇（Evelina Domnitch）和德米特里·蓋爾範德（Dmitry Gelfand）將力場（2016）描述為挖掘聲音的三維空間、難以捉摸的水的物理性質以及天體和亞原子物體的旋轉動力學。
哈佛大學的喬治·懷特賽茲（George Whitesides）回憶説，在他們長期合作的早期，攝影師菲利斯·弗蘭克爾（Felice Frankel）告訴他，他拍攝的水在表面擴散的照片“很無聊”，她可以做得更好。懷特賽茲説，這個挑戰和她對美學的興趣使她深入瞭解了液體在小尺度下的流體行為。“沒有什麼比一張好照片更能吸引眼球了。如果你看到一張引人注目的照片，你會問，為什麼會發生這種情況？這是科學的財富。”
弗蘭克爾説，科學家們經常用字幕、標尺等等來聚集數字。“從構圖上看，你不知道該看哪裏。”她問科學家希望觀眾首先看到什麼。她説：“我使用設計原則的目的是為了交流科學，而不是為了創造藝術。當人們理解自己所看到的東西時，就會變得更加投入。”
隨着科學家們越來越多地被要求證明他們使用納税人的錢是合理的，推廣範圍擴大了。這包括在期刊上的插圖，撥款提案和與公眾的活動。傑拉爾丁·考克斯（Geraldine Cox）是一位藝術家，擁有物理學本科學位，現任職於倫敦帝國理工學院物理系。（考克斯的畫作出現在《今日物理》2021年3月號的封面和內部。）她為兒童、公眾和物理學家創建工作室。他們利用繪畫、光和詩歌探索太陽、原子光譜和其他現象。例如，在一項基於雕塑家亞歷山大·考爾德（Alexander Calder）作品的活動中，她讓原子物理學家們用他們在實驗室裏找到的物品製作風鈴。考克斯説：“人們創造了關於原子和光、生活和研究的東西，或者給自己設定了實際的目標，比如建造一個倒置的風鈴。這是一個歡樂和開放的下午。”
奧胡斯大學量子理論學家克勞斯·莫爾默（Klaus Mølmer）説，丹麥有着悠久的公共科學推廣傳統[4]，而且自從2005年世界物理年以來，這一傳統就“爆發”了。莫爾默指出，“當藝術家和科學家相互瞭解時，你就會得到合作。”
莫爾默與藝術家合作，包括作曲家金·海爾威（Kim Helweg）。“我們詳細討論量子力學，他問我問題，然後去做他想做的事。”莫爾默説。“靈感在兩個方向都是間接的。”藝術家們問他的問題讓他“大開眼界”，他補充道，“我認為物理和藝術的靈感來源沒有太大區別。”
另一個量子物理學家與作曲家的合作是西班牙巴塞羅那光子科學研究所的馬切伊·萊温斯坦（Maciej Lewenstein）和山田玲子（Reiko Yamada）。作曲家山田説，實驗音樂家的目標與科學家有重疊之處。“我們突破界限，有所發現，並在新的領域進行實驗。”在一個項目中，她將量子過程產生的隨機振動融合到音樂音色中。“我們將這些聲音與經典的隨機性進行比較。它是不同的嗎？它是可識別的嗎？”山田説。早期數據表明，音色是可以區分的。萊温斯坦説：“如果人們能聽到區別，這將導致關於認知的問題。”他補充説：“量子世界不是直觀的，所以它引發了公眾的興趣和興奮點。”
2. 科學工具
加州拉霍亞斯克里普斯研究所的結構生物學家大衞·古德塞爾（David Goodsell）説，藝術在科學中扮演着兩個主要角色。他説，“可視化工具幫助科學家看到他們的科學，藝術被用來傳播科學。我一直在研究第三個方面，我用藝術來產生科學假設。我的藝術專注於成為科學的工具。”
古德塞爾描繪了冠狀病毒的生命週期、流感疫苗、脂滴和其他主題。他將現有的知識與有根據的猜測結合起來，旨在擴展科學家的直覺和理解。這些畫包含了許多近似和決策。例如，SARS-CoV-2刺突蛋白在引導病毒與細胞融合的過程中發生了複雜的構象變化（見第24頁的圖）。他説：“結構快照可用於起始和最終狀態，但我使用藝術來推測中間狀態。我必須在各種假設中進行挑選。我與專家合作做這些圖片。要讓他們在沒有限定的情況下明確表態，往往是很困難的。”然而他説，這些畫給科學家帶來了自由，因為它們是“藝術的再現”。
結構生物學家大衞·古德塞爾的畫中結合了已知的信息和最佳的猜測來描繪分子結構的詳細視圖。這幅水彩畫名為《新型冠狀病毒融合，2020》。
弗朗西斯卡·薩姆塞爾（Francesca Samsel）利用她作為藝術家的技能和敏感，幫助科學家從龐大的數據集中提取更多信息。近十年來，她與洛斯阿拉莫斯國家實驗室的幾位科學家密切合作，研究氣候建模、海洋生物地球化學和小行星撞擊產生的波浪等課題。目前與海洋建模師馬克·彼得森（Mark Petersen）等人合作的一個項目涉及南極冰雪融化和海洋環流（見第25頁的圖片）。
模擬海洋環流給出了有關氣候變化的線索。這張是南極冰蓋的照片。黃色和橙色的曲線表示洋流，淺藍色到紫色表示水深在增加，過渡到紫色表示大陸坡。示蹤劑顯示了鹽度和冰架水等參數。美國能源部的能量地球系統模型整合了數百個變量，分辨率為10公里。
薩姆塞爾説：“在藝術中，我們被訓練使用視覺元素——線條、形狀、顏色——來建立變量之間的關係，組織內容和引導注意力。”她補充説，這可以用顏色來實現，“但你必須知道如何使用它。”她指出，傳統的彩虹色地圖可能會導致視覺假象。更重要的是，在這樣的地圖中，完全飽和的顏色是相鄰的，這會導致視覺振動，使觀眾的眼睛疲勞。
薩姆塞爾説，藝術家與科學家合作的關鍵是不要拒絕假設。“科學家們必須把我可能不靠譜的想法放在一邊。我必須努力瞭解科學、科學家和他們的需求。”她補充説，這個過程是反覆的。“它在主題上很豐富，而且是共生的。”彼得森指出，“弗朗西斯卡是深深紮根於此，她是團隊的一部分。”
為了描繪南極冰架下水域的模擬，薩姆塞爾引入了基於手工雕刻形式的示蹤劑。紋理、形狀和陰影不同的示蹤劑使觀察者能夠區分多個變量——温度、鹽度、水流、水深等。與用彩色球體表示變量相比，這樣的圖像更容易理解。在虛擬現實中，科學家可以遊近或縮小，從一系列角度研究數據。薩姆塞爾説：“我們的目標是沒有噪聲的複雜環境，一個平靜、清晰的視覺線索環境。”
3. 不同的問題
伊芙琳·多米尼奇（Evelina Domnitch）和德米特里·蓋爾範德（Dmitry Gelfand）是一對住在荷蘭的藝術家夫婦，他們創作的表演和裝置作品深深植根於科學。蓋爾範德説：“我們對刺激未知感知、物理和哲學領域的藝術感興趣。”20多年前，當他們開始合作時，他説：“我們選擇了研究氣體、流體和波動現象。這在藝術領域是一種非正統的約束。它的靈感來自量子理論。”
這對組合的探索包括聲致發光[5]、聲懸浮[6]、黑洞和離子阱[7]。多米尼奇和蓋爾範德學習相關科學。“我們面對這些奇異的物理現象的原因之一是為了認清現實的本質。”多姆尼奇説。
蘇珊娜·布朗（Suzanne Brown，圖9右）與耶魯大學藝術館館長斯蒂芬妮·懷爾斯（Stephanie Wiles）討論她的畫作《dis,oRdered》。這幅自畫像探討了熵、熱傳遞和時間，並將其與日常生活中的混亂和壓力進行了類比。布朗於2019年在本科課程《物理學與藝術》中畫了這幅畫，該課程由來自普拉特學院的耶魯大學物理系客座教授阿格涅斯·莫西（Ágnes Mócsy）教授。
在他們的作品《Camera Lucida》中，藝術家們將聲波傳送到一個60升的玻璃球中，其中含有灌注氣體的水，從而產生聲致發光效應。“高頻聲音會形成微氣泡。當它們破裂時，它們的温度會達到太陽的最高温度，併發出微弱的閃光。”多姆尼奇説。位於名古屋的日本國家高級工業科學和技術研究所的理論家安井京一（Kyuichi Yasui）説，在工作中觀察氣泡和聲致發光很有意思，因為容器比實驗室大得多。雖然這與他的研究沒有直接聯繫，但他補充説，“當我看到藝術時，我在研究中的壓力就消失了，我對藝術的熱情對我的研究很有用。”
另一位作品充滿科學氣息的藝術家是居住在柏林的阿根廷藝術家托馬斯·薩拉塞諾（Tomás Saraceno）。他説：“我們需要重新發明我們的合作模式，並進行跨學科的合作。”因為人類面臨的問題非常嚴重：全球變暖、大規模滅絕、人類苦難。薩拉塞諾的項目包括數字化和重建蜘蛛網，並記錄蜘蛛在蛛網上製造的振動。他説：“現在我認為網絡是一種樂器，蜘蛛通過調整蛛網來感知和定位獵物；能量通過網絡傳播。”他指出，人們已經將三維重建的蜘蛛網與宇宙網絡進行了比較。“你可以按比例放大，思考視覺效果、和聲和音階。”
安德里亞·波利（Andrea Polli）的裝置作品《顆粒瀑布》同樣基於科學。新墨西哥大學教授和環境藝術家展示了費城和其他城市街道上顆粒物的濃度。這些數據每15秒更新一次，並投射到一棟建築上，使看不見的污染可視化。
德國尤里克量子控制研究所所長托馬索·卡拉科（Tommaso Calarco）説，藝術可以通過打開需要理解的事物的大門來幫助科學。藝術家提出不同的問題，激發新的思維方式。藝術家們用“美麗、吸引人、令人興奮和情緒化”的方式來表達想法。卡拉科説，多米尼奇和蓋爾範德讓科學實驗“看起來很美，發人深省”。他們創造了一種奇思妙想的感覺，這可以激勵科學家們以不同的方式對待他們的研究。
卡拉科説，與藝術和藝術家的互動“形成了一個強大的精神支柱和靈感，塑造了他在量子熱力學方面的工作方向。”他説：“如果我們忘記了科學是美麗的，我們或許會擁有明天的創新，但不會擁有後天的創新。追求知識無用的一面是明智的。”
康奈爾大學（Cornell University）諾貝爾化學獎獲得者羅爾德·霍夫曼（Roald Hoffmann）表示，藝術和科學都重視簡約和強度。“這一點在詩歌中是顯而易見的，而在另一種情況下，方程式或解釋在簡明扼要的時候傳達得最好。”但他説，不同之處在於情感。“藝術家、詩人、音樂家、舞蹈家都善於用情感交流。但科學大體上排除了情感的影響。”他説，“這是絕對錯誤的。”他指出，科學講座往往比論文更有趣，“這是因為他們（講師）正在用情感描述符編織一個故事。”溝通情感是科學可以從藝術中學習到的東西。“我對建立一個知識社區感興趣。我們需要在人文和科學之間架起橋樑。”
擴展閲讀
關於藝術與科學合作中聲音的更多例子，請參見2021年4月1日在線版《Physics Today online》中《Art, sound, and science》一文。
參考資料
[1] Wörner C. H.,Rojas Roberto. Classical Doppler Effect in Some Accelerated Systems[J]. The Physics Teacher,2021,59(4).
[2] physicstoday.org/schaffer
[4] Lessons learned from the World Year of Physics,” by Laurence Lavelle, Physics Today, December 2005, page 15
[5] 熊源榮.液體的聲致發光[J].自然雜誌,1991(04):259-260.
[6] 沈昌樂,解文軍,洪振宇,魏炳波.聲懸浮技術的發展及應用[J].現代物理知識,2010,22(03):10-13.
[7] 周浩林.小型化質譜設計的探究[J].儀表技術,2014(04):1-6.
本文經授權轉載自微信公眾號“集智俱樂部”。
原文地址：
https://physicstoday.scitation.org/doi/full/10.1063/PT.3.4722