科学与艺术的交融怎样激发灵感?

导语

科学和艺术通常是分开的，科学中的分支学科也是如此。但情况并不总是这样。今天，从科学启发的艺术，到作为解释或说明科学的工具的艺术，到艺术家探索的科学，再到促进科学理解的合作（这或许是最罕见的），彼此之间都有联系。

Toni Feder | 作者

张羿 | 译者

廖黛郦 | 审校

邓一雪 | 编辑

看过电影《异形奇花》（Little Shop of Horrors）之后，安德鲁·佩林（Andrew Pelling）和他的研究小组想知道他们是否能创造出一种有肌肉的植物。他们的灵感来自于这部1986年的电影中的一种吃人的怪物植物“奥黛丽二世”。他们尝试在一片叶子上生长肌肉组织，但失败了，但这一尝试引发了佩林团队在过去十年中蓬勃发展的一个研究方向：用植物和聚合物为基础的支架来生长哺乳动物组织。佩林说，最近他们已经发现，一种源自芦笋的支架可以引导神经元的生长，用于治疗脊髓损伤。他们还一直在研究一种新的聚合物支架，该支架是由实验室中的一位纺织艺术家开发的。

从一开始，佩林在渥太华大学物理系的研究小组就包括了科学家和艺术家——雕塑家、画家、数字媒体艺术家等；目前，大约15名成员中有3名是艺术家。佩林说：“我认识的每一位艺术家都忙着质疑和研究这个世界，就像科学家一样。”佩林的目标是提出一些以前没有被问到过的问题。“对我来说，最好的方式就是让不同的人聚在一起，共享午餐，闲聊。这种互动既带来了博物馆藏品，也带来了科学进步。”

科学和艺术通常是分开的，科学中的分支学科也是如此。但情况并不总是这样，比如，列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）研究摩擦和其他主题，还有与达·芬奇同时代的15世纪画家、数学专著作者皮耶罗·德拉·弗朗西斯卡（Piero della Francesca）。今天，从科学启发的艺术，到作为解释或说明科学的工具的艺术，到艺术家探索的科学，再到促进科学理解的合作（这或许是最罕见的），彼此之间都有联系。

1. 间接的灵感

阿格尼斯·莫西（Ágnes Mócsy）是纽约布鲁克林的普拉特学院的物理学和天文学教授，该学院强调艺术、设计和建筑。对她来说，约瑟夫·斯特拉（Joseph Stella）的布鲁克林大桥画作引发了一场关于多普勒效应[1]的讨论。杰克逊·波洛克（Jackson Pollock）的画暗示了动量、能量和流体动力学。雕塑可以用来谈论质量和空间，以及广义相对论。对比东方和西方文化的艺术作品，可以阐释对空间和时间的不同感觉。“当你面对一幅画或一座雕塑时，没有正确或错误的答案，所以人们可以感觉更舒服地敞开心扉，”莫奇说，她以前在布鲁克海文国家实验室从事重离子理论工作，现在专注于物理教育，强调物理学和艺术的交叉。她继续说，物理学常常使人疏远。“我对丰富我们讲述的物理故事很感兴趣。在我的工作中，艺术、科学和社会正义是相互联系的。”

和莫西一样，凯瑟琳·谢弗（Kathryn Schaffer）离开了研究密集型的职业，转而为艺术家们教授物理学。（在的一次采访[2]中，她描述了自己退出有毒的物理文化的经历，以及关于她的生活和职业的更多信息。）自2009年以来，她一直负责监督芝加哥艺术学院的科学项目。她在那里启动了一个科学家驻校计划，并经常邀请科学家来做讲座。她说，尽管科学并不依赖于艺术，但科学“在艺术世界中是不可或缺的”——从工具和技术到艺术家处理的主题，无不如此。她说，尽管如此，艺术家与科学家的合作对科学家来说还是有价值的，这难以衡量。例如，创造性的跨学科合作可以“重新将注意力集中在我们从事科学实践所需要的好奇、关心和独特的人类的本性上。”

2003年，比约恩·贾姆特维特（Bjørn Jamtveit）担任挪威奥斯陆一所关于地质过程物理学的新中心的主任，他请来了画家、摄影师和其他艺术家与该中心的科学家合作。一位作曲家与一位研究岩石变形应力的科学家合作，利用地质声音创作作品；其中一个是一种走进式装置，用岩石破裂的声音环绕着参观者。（艺术与科学合作的声音例子可以在这个故事的在线版本中找到。）贾姆特维特说，科学家应该是客观的，但他们经常看到他们正在寻找的东西或他们认识到的熟悉的东西。贾姆特维特最初寻求合作是为了通过优秀的推广来增加未来获得资助的机会。他说：“由于我与艺术家的互动，我已经成为一个更好的观察者。”

图1. 这幅作品作于2006年6月，丙烯画，56 × 70英寸，出自艺术家的收藏。托尼·罗宾提供。

与数学家密切合作的艺术家托尼·罗宾（Tony Robbin）描绘了弯曲的三维晶格。编织的晶格由不同的多面体进行颜色编码和标识。他解释说，在更高的维度上，晶格在彼此的上方和下方流动，但在投影中，它们似乎是相交的。

图2. 安德鲁·佩林提供

奇塞尔阵列（Chixel Array）是一个用从一元店买来的东西和从垃圾堆里捡来的东西做成的灯光雕塑。它始于用像素点亮玩具鸡的想法，并涉及设计电路和编码。“这既愚蠢又深奥。”渥太华大学生物物理学家的创始人安德鲁·佩林说。但是，他说，“它象征着我的实验室的工作方式。在这一切的背后，我们正在培养一支能够承担任何项目的科学团队——一个在项目进行过程中能够自如地进行故障排除、迭代和转向的团队。”

图3. 图片来自安德里亚·罗塞蒂摄影，©2013。

这张图片中缠绕的网是由不同种类的蜘蛛编织而成的。它来自Arachnophilia，一个由柏林艺术家托马斯·萨拉切诺（Tomás Saraceno）发起的跨学科研究项目，研究蜘蛛网结构、振动信号等等。萨拉切诺开发了一种扫描仪，将蜘蛛网数字化，并记录下了蜘蛛网振动的声音。

图4. 埃伦·卡林·米勒姆提供[3]

Geoprint是艺术家埃伦·卡林·米勒姆（Ellen Karin Mæhlum）的系列作品。她和奥斯陆大学地质过程物理中心的科学家一起参加了斯瓦尔巴特群岛的北极探险，探索岩石和火星环境中生命形式之间的关系。这些图片基于不同比例的形式和图案，包括这里展示的P0911和封面上的V7010的图像，是用印版、干点和模板分层形成的。

图5. 由伊芙琳·多姆尼奇和德米特里·盖尔范德提供

声学悬浮的水滴在几乎没有剪切力的情况下旋转时产生共振、汽化并重新组合。创作者伊芙琳·多姆尼奇（Evelina Domnitch）和德米特里·盖尔范德（Dmitry Gelfand）将力场（2016）描述为挖掘声音的三维空间、难以捉摸的水的物理性质以及天体和亚原子物体的旋转动力学。

图6. 咖啡泡沫会移动并破裂。这张照片是通过装有智能手机适配器的显微镜拍摄的。由菲利斯·弗兰克尔提供。

哈佛大学的乔治·怀特赛兹（George Whitesides）回忆说，在他们长期合作的早期，摄影师菲利斯·弗兰克尔（Felice Frankel）告诉他，他拍摄的水在表面扩散的照片“很无聊”，她可以做得更好。怀特赛兹说，这个挑战和她对美学的兴趣使她深入了解了液体在小尺度下的流体行为。“没有什么比一张好照片更能吸引眼球了。如果你看到一张引人注目的照片，你会问，为什么会发生这种情况？这是科学的财富。”

弗兰克尔说，科学家们经常用字幕、标尺等等来聚集数字。“从构图上看，你不知道该看哪里。”她问科学家希望观众首先看到什么。她说：“我使用设计原则的目的是为了交流科学，而不是为了创造艺术。当人们理解自己所看到的东西时，就会变得更加投入。”

随着科学家们越来越多地被要求证明他们使用纳税人的钱是合理的，推广范围扩大了。这包括在期刊上的插图，拨款提案和与公众的活动。杰拉尔丁·考克斯（Geraldine Cox）是一位艺术家，拥有物理学本科学位，现任职于伦敦帝国理工学院物理系。（考克斯的画作出现在《今日物理》2021年3月号的封面和内部。）她为儿童、公众和物理学家创建工作室。他们利用绘画、光和诗歌探索太阳、原子光谱和其他现象。例如，在一项基于雕塑家亚历山大·考尔德（Alexander Calder）作品的活动中，她让原子物理学家们用他们在实验室里找到的物品制作风铃。考克斯说：“人们创造了关于原子和光、生活和研究的东西，或者给自己设定了实际的目标，比如建造一个倒置的风铃。这是一个欢乐和开放的下午。”

奥胡斯大学量子理论学家克劳斯·莫尔默（Klaus Mølmer）说，丹麦有着悠久的公共科学推广传统[4]，而且自从2005年世界物理年以来，这一传统就“爆发”了。莫尔默指出，“当艺术家和科学家相互了解时，你就会得到合作。”

莫尔默与艺术家合作，包括作曲家金·海尔威（Kim Helweg）。“我们详细讨论量子力学，他问我问题，然后去做他想做的事。”莫尔默说。“灵感在两个方向都是间接的。”艺术家们问他的问题让他“大开眼界”，他补充道，“我认为物理和艺术的灵感来源没有太大区别。”

另一个量子物理学家与作曲家的合作是西班牙巴塞罗那光子科学研究所的马切伊·莱温斯坦（Maciej Lewenstein）和山田玲子（Reiko Yamada）。作曲家山田说，实验音乐家的目标与科学家有重叠之处。“我们突破界限，有所发现，并在新的领域进行实验。”在一个项目中，她将量子过程产生的随机振动融合到音乐音色中。“我们将这些声音与经典的随机性进行比较。它是不同的吗？它是可识别的吗？”山田说。早期数据表明，音色是可以区分的。莱温斯坦说：“如果人们能听到区别，这将导致关于认知的问题。”他补充说：“量子世界不是直观的，所以它引发了公众的兴趣和兴奋点。”

2. 科学工具

加州拉霍亚斯克里普斯研究所的结构生物学家大卫·古德塞尔（David Goodsell）说，艺术在科学中扮演着两个主要角色。他说，“可视化工具帮助科学家看到他们的科学，艺术被用来传播科学。我一直在研究第三个方面，我用艺术来产生科学假设。我的艺术专注于成为科学的工具。”

古德塞尔描绘了冠状病毒的生命周期、流感疫苗、脂滴和其他主题。他将现有的知识与有根据的猜测结合起来，旨在扩展科学家的直觉和理解。这些画包含了许多近似和决策。例如，SARS-CoV-2刺突蛋白在引导病毒与细胞融合的过程中发生了复杂的构象变化（见第24页的图）。他说：“结构快照可用于起始和最终状态，但我使用艺术来推测中间状态。我必须在各种假设中进行挑选。我与专家合作做这些图片。要让他们在没有限定的情况下明确表态，往往是很困难的。”然而他说，这些画给科学家带来了自由，因为它们是“艺术的再现”。

图7. 大卫·古德塞尔的插图，RCSB蛋白质数据库；doi:10.2210/rcsb _ pdb/goodsell-gallery-026。

结构生物学家大卫·古德塞尔的画中结合了已知的信息和最佳的猜测来描绘分子结构的详细视图。这幅水彩画名为《新型冠状病毒融合，2020》。

弗朗西斯卡·萨姆塞尔（Francesca Samsel）利用她作为艺术家的技能和敏感，帮助科学家从庞大的数据集中提取更多信息。近十年来，她与洛斯阿拉莫斯国家实验室的几位科学家密切合作，研究气候建模、海洋生物地球化学和小行星撞击产生的波浪等课题。目前与海洋建模师马克·彼得森（Mark Petersen）等人合作的一个项目涉及南极冰雪融化和海洋环流（见第25页的图片）。

图8. 由The Sculting Vis Collaborative，Daniel Keefe和Francesca Samsel提供，由国家科学基金会#IIS 1704604和1704904资助。

模拟海洋环流给出了有关气候变化的线索。这张是南极冰盖的照片。黄色和橙色的曲线表示洋流，浅蓝色到紫色表示水深在增加，过渡到紫色表示大陆坡。示踪剂显示了盐度和冰架水等参数。美国能源部的能量地球系统模型整合了数百个变量，分辨率为10公里。

萨姆塞尔说：“在艺术中，我们被训练使用视觉元素——线条、形状、颜色——来建立变量之间的关系，组织内容和引导注意力。”她补充说，这可以用颜色来实现，“但你必须知道如何使用它。”她指出，传统的彩虹色地图可能会导致视觉假象。更重要的是，在这样的地图中，完全饱和的颜色是相邻的，这会导致视觉振动，使观众的眼睛疲劳。

萨姆塞尔说，艺术家与科学家合作的关键是不要拒绝假设。“科学家们必须把我可能不靠谱的想法放在一边。我必须努力了解科学、科学家和他们的需求。”她补充说，这个过程是反复的。“它在主题上很丰富，而且是共生的。”彼得森指出，“弗朗西斯卡是深深扎根于此，她是团队的一部分。”

为了描绘南极冰架下水域的模拟，萨姆塞尔引入了基于手工雕刻形式的示踪剂。纹理、形状和阴影不同的示踪剂使观察者能够区分多个变量——温度、盐度、水流、水深等。与用彩色球体表示变量相比，这样的图像更容易理解。在虚拟现实中，科学家可以游近或缩小，从一系列角度研究数据。萨姆塞尔说：“我们的目标是没有噪声的复杂环境，一个平静、清晰的视觉线索环境。”

3. 不同的问题

伊芙琳·多米尼奇（Evelina Domnitch）和德米特里·盖尔范德（Dmitry Gelfand）是一对住在荷兰的艺术家夫妇，他们创作的表演和装置作品深深植根于科学。盖尔范德说：“我们对刺激未知感知、物理和哲学领域的艺术感兴趣。”20多年前，当他们开始合作时，他说：“我们选择了研究气体、流体和波动现象。这在艺术领域是一种非正统的约束。它的灵感来自量子理论。”

这对组合的探索包括声致发光[5]、声悬浮[6]、黑洞和离子阱[7]。多米尼奇和盖尔范德学习相关科学。“我们面对这些奇异的物理现象的原因之一是为了认清现实的本质。”多姆尼奇说。

图9

苏珊娜·布朗（Suzanne Brown，图9右）与耶鲁大学艺术馆馆长斯蒂芬妮·怀尔斯（Stephanie Wiles）讨论她的画作《dis,oRdered》。这幅自画像探讨了熵、热传递和时间，并将其与日常生活中的混乱和压力进行了类比。布朗于2019年在本科课程《物理学与艺术》中画了这幅画，该课程由来自普拉特学院的耶鲁大学物理系客座教授阿格涅斯·莫西（Ágnes Mócsy）教授。

在他们的作品《Camera Lucida》中，艺术家们将声波传送到一个60升的玻璃球中，其中含有灌注气体的水，从而产生声致发光效应。“高频声音会形成微气泡。当它们破裂时，它们的温度会达到太阳的最高温度，并发出微弱的闪光。”多姆尼奇说。位于名古屋的日本国家高级工业科学和技术研究所的理论家安井京一（Kyuichi Yasui）说，在工作中观察气泡和声致发光很有意思，因为容器比实验室大得多。虽然这与他的研究没有直接联系，但他补充说，“当我看到艺术时，我在研究中的压力就消失了，我对艺术的热情对我的研究很有用。”

另一位作品充满科学气息的艺术家是居住在柏林的阿根廷艺术家托马斯·萨拉塞诺（Tomás Saraceno）。他说：“我们需要重新发明我们的合作模式，并进行跨学科的合作。”因为人类面临的问题非常严重：全球变暖、大规模灭绝、人类苦难。萨拉塞诺的项目包括数字化和重建蜘蛛网，并记录蜘蛛在蛛网上制造的振动。他说：“现在我认为网络是一种乐器，蜘蛛通过调整蛛网来感知和定位猎物；能量通过网络传播。”他指出，人们已经将三维重建的蜘蛛网与宇宙网络进行了比较。“你可以按比例放大，思考视觉效果、和声和音阶。”

安德里亚·波利（Andrea Polli）的装置作品《颗粒瀑布》同样基于科学。新墨西哥大学教授和环境艺术家展示了费城和其他城市街道上颗粒物的浓度。这些数据每15秒更新一次，并投射到一栋建筑上，使看不见的污染可视化。

德国尤里克量子控制研究所所长托马索·卡拉科（Tommaso Calarco）说，艺术可以通过打开需要理解的事物的大门来帮助科学。艺术家提出不同的问题，激发新的思维方式。艺术家们用“美丽、吸引人、令人兴奋和情绪化”的方式来表达想法。卡拉科说，多米尼奇和盖尔范德让科学实验“看起来很美，发人深省”。他们创造了一种奇思妙想的感觉，这可以激励科学家们以不同的方式对待他们的研究。

卡拉科说，与艺术和艺术家的互动“形成了一个强大的精神支柱和灵感，塑造了他在量子热力学方面的工作方向。”他说：“如果我们忘记了科学是美丽的，我们或许会拥有明天的创新，但不会拥有后天的创新。追求知识无用的一面是明智的。”

康奈尔大学（Cornell University）诺贝尔化学奖获得者罗尔德·霍夫曼（Roald Hoffmann）表示，艺术和科学都重视简约和强度。“这一点在诗歌中是显而易见的，而在另一种情况下，方程式或解释在简明扼要的时候传达得最好。”但他说，不同之处在于情感。“艺术家、诗人、音乐家、舞蹈家都善于用情感交流。但科学大体上排除了情感的影响。”他说，“这是绝对错误的。”他指出，科学讲座往往比论文更有趣，“这是因为他们（讲师）正在用情感描述符编织一个故事。”沟通情感是科学可以从艺术中学习到的东西。“我对建立一个知识社区感兴趣。我们需要在人文和科学之间架起桥梁。”

扩展阅读

关于艺术与科学合作中声音的更多例子，请参见2021年4月1日在线版《Physics Today online》中《Art, sound, and science》一文。

原文地址：

https://physicstoday.scitation.org/doi/full/10.1063/PT.3.4722

参考资料：

[1] Wörner C. H.,Rojas Roberto. Classical Doppler Effect in Some Accelerated Systems[J]. The Physics Teacher,2021,59(4).

[2] physicstoday.org/schaffer

[3] www.ellenkarin.no

[4] Lessons learned from the World Year of Physics,” by Laurence Lavelle, Physics Today, December 2005, page 15

[5] 熊源荣.液体的声致发光[J].自然杂志,1991(04):259-260.

[6] 沈昌乐,解文军,洪振宇,魏炳波.声悬浮技术的发展及应用[J].现代物理知识,2010,22(03):10-13.

[7] 周浩林.小型化质谱设计的探究[J].仪表技术,2014(04):1-6.

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