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诺贝尔物理学奖得主维尔切克:科学与艺术具有许多相似之处

来源:简单百科整理 编辑:www.pubyd.com 时间:2018-11-09

如果仅仅瞥一眼弗兰克·维尔切克教授的简历,普罗大众心里或许并不会有太大的波澜:
现任麻省理工教授,曾经在普林斯顿高等研究院和凯维里理论物理研究所工作过;
拥有“赫尔曼·费什巴赫教授”的荣誉称号;
年少有为,普林斯顿博士在读其间发现了夸克粒子的渐进自由(夸克之间的距离越近,其强互作用越弱;假如两个夸克之间的距离极其近的话,那么它们之间的核力是如此之弱,以至于它们可以被看作是自由粒子),并因此于2004年获得诺贝尔物理学奖。
概言之,这是一位非常优秀的科学家,在物理学中取得了卓越的成就。然而,考虑到对科学家的刻板印象:沉浸狭小的专业领域,产出难以理解的成果,大概还多多少少有些举止乖张,离群索居,对尘世和人文不感兴趣——我们生活在一个科学共同体如此分离于其他社会成员的时代,有多少普通人会驻足,不是处于礼貌,而是出于兴趣地来倾听那佶屈聱牙的理论,查尔斯·斯诺口中《两种文化》中远离人文的那一种?
然而,他做到了。人们济济一堂,听他关于美丽世界的精彩论述,让自己的思想在音乐、色彩和当今物理学的最前沿的基本概念间徜徉。

讲演中的维尔切克教授
这场讲座的主题是弗兰克·维尔切克教授近期推出的著作《美丽之问:宇宙万物的大设计》,凝聚了他自多年前《渴望和谐》一书以来的思考。该书中文版今年10月由湖南科学技术出版社出版,著名华人物理学家、诺贝尔奖获得者李政道先生应邀亲定书名并作序。在序言中,李政道指出,维尔切克从对称与不对称这对关系出发回顾了人类探索宇宙的征途,亦探讨了科学在艺术中汲取灵感的优良传统。他将书中的思考归结为一个极为基本的问题:世界万物为何能够演变成现在的模式。这个大设计的问题非常深刻重要,值得每一位从事科学研究的同仁们一起探索。
11月2日,在上海科学会堂海洋能厅,弗兰克·维尔切克教授与三位艺术从业者:中国科学院院士、同济大学教授郑时龄先生,国家一级美术师,中国美术家协会副主席、上海市文联主席、上海美术家协会主席施大畏先生,,上海音乐学院音乐学系讲师、音乐美学博士孙月女士一起,从《美丽之问》出发,延伸到建筑、绘画与音乐,让听众了解“对称与不对称”在艺术与科学中的广泛应用,思考“宇宙起源的终极追求”与“艺术对美的追求”之间的联系与相互作用。

讲座嘉宾,左起:兰梅(讲座主持、本书译者)、施大畏、弗兰克·维尔切克、郑时龄、孙月
可视化、对称性与象征:科学与艺术的婚姻
维尔切克教授做了题为《科学与艺术的婚姻》(Marriage of Art and Science)的英文讲演,探讨了科学与艺术交汇的三个关键点:可视化过程,对称性的应用,连结科学前沿与日常经验的象征手法。用他自己的话说,讲演内容一言以蔽之,就是意欲揭示“科学与艺术是两种探索世界的手段,它们具有许多的相似之处,并且最终能够相遇彼此(reacheachother)”。
可视化
维尔切克从我们的视觉器官开始。其一,他指出,人类对世界的现行认知以可视化为前提。简要地说,可视化即一种“翻译”,将外部事物转化成视觉对象,以便后续的处理和分析。我们有一套复杂的生理系统专门用来对外部三维世界在眼中的二维投影做处理,从视网膜、视神经到大脑皮层。在这个过程中,我们大脑的信号处理机制娴熟地(虽然并非刻意为之)实践着逆投影几何学的原理。维尔切克将人与那些主要通过嗅觉感知世界的动物做对比,指出人类具有独特的优势:根据自身的视觉体验产生好奇心并展望自己的观点,让自己更深刻地了解外部世界。此外,拥有视觉这一利器的其他动物,如鸟类等,所看到的世界与人类亦截然不同。他总结说,对地球的表述并非唯一而特定;针对不同的感官,地球提供了很多的可能。
其二,科学探索是人类认知活动的一部分,可视化科学对象有助于形象地理解科学。最出名的例子莫过于笛卡尔发明解析几何,将方程与函数图象联系起来。维尔切克使用了这样的例子,图象形象地说明了参数a、b对于方程成立条件的影响(下图左)。在化学中,也有相似的情况。当我们想要了解电子云的分布或是分子结构之时,我们就会可视化这些化学对象,以增进我们的理解(下图右)。

图片来自维尔切克教授讲演PPT
其三,科学探索的成果能够反过来增进人的可视化能力,“让人看得更深”,了解更多。随着现代物理的发展,人类了解了光的波粒二象性等性质,也制造出更多仪器,能够对于可见光波长之外的光谱进行观察。
对称性
维尔切克首先为对称性下了一个精确的定义:对称性就是“没有本质变化的变化”(changewithoutchange)。该怎样理解这句拗口的定义呢?他以圆为例:当我们旋转一个圆任意角度,圆上每一点的几何位置都有所变化,但是作为整体的圆并未有异。同样的例子对于方程等依然成立:对于一个描述空间性质的方程,改变带入点或其坐标,但是方程依然是那个方程。
他指出,对称性既为人类,也被自然所喜爱。人类钟爱对称性,纺织品的图案、建筑的构造等都是绝佳例子。自然对于对称性的坚守,则被近代科学的开拓者们一再确认。伽利略对称性的思考,狭义相对论的两条公设等等,既体现了科学研究者对于对称性原则的偏好,也随着它们为后续理论和实验所验证,加强了人们对于“对称的自然”这一世界图景的信心。

科学的对称和艺术的对称
象征
在维尔切克看来,象征(metaphor,或译隐喻)是指我们可以通过在科学知识和日常经验间建立联系的方式,来增加对于世界的理解。维尔切克告诉听众,象征在科学探索过程中有启迪灵感的作用:物理学家理查德·费曼便是如此,在他的手稿中留下了大量艺术的表达。

理查德·费曼的手稿
维尔切克通过一系列例子来说明象征的广泛应用。下图左是应用人像的扭曲倒影,来象征、表现相对论中“空间弯折”概念;下图右则通过鱼群中的个体必须跟着大部队游动的性质,象征超导体的电学特征。象征除了应用于科学概念外,还可以在科学界思维方法和日常经验间建立联系,如对自然界隐藏结构的探求与人体皮肤下血管、肌肉等结构的发现,一如达·芬奇的画作展示的那样。
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