科学和艺术凡是是分隔的，科学中的分支学科也是如斯。但环境并不老是这样。今天，从科学开导的艺术，到作为诠释或申明科学的东西的艺术，到艺术家摸索的科学，再到促进科学理解的合作（这或许是最罕有的），彼此之间都有联系。
撰文 | Toni Feder
翻译 | 张羿
审校 | 廖黛郦
看过片子《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缔造出一种有肌肉的植物。他们的灵感来自于这部1986年的片子中的一种吃人的怪物植物“奥黛丽二宿世”。他们测验考试在一片叶子上发展肌肉组织，但掉败了，但这一测验考试激发了佩林团队在曩昔十年中蓬勃成长的一个研究偏向：用植物和聚合物为根本的支架来发展哺乳动物组织。佩林说，比来他们已经发现，一种源自芦笋的支架可以指导神经元的发展，用于治疗脊髓毁伤。他们还一向在研究一种新的聚合物支架，该支架是由尝试室中的一位纺织艺术家开辟的。
从一起头，佩林在渥太华大学物理系的研究小组就包罗了科学家和艺术家——雕塑家、画家、数字媒体艺术家等；今朝，大约15名当作员中有3名是艺术家。佩林说：“我熟悉的每一位艺术家都忙着质疑和研究这个宿世界，就像科学家一样。”佩林的方针是提出一些以前没有被问到过的问题。“对我来说，最好的体例就是让分歧的人聚在一路，共享午餐，闲聊。这种互动既带来了博物馆藏品，也带来了科学前进。”
科学和艺术凡是是分隔的，科学中的分支学科也是如斯。但环境并不老是这样，好比，列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）研究摩擦和其他本家儿题，还有与达·芬奇同时代的15宿世纪画家、数学专著作者皮耶罗·德拉·弗朗西斯卡（Piero della Francesca）。今天，从科学开导的艺术，到作为诠释或申明科学的东西的艺术，到艺术家摸索的科学，再到促进科学理解的合作（这或许是最罕有的），彼此之间都有联系。
1. 间接的灵感
阿格尼斯·莫西（?gnes Mócsy）是纽约布鲁克林的普拉特学院的物理学和天文学传授，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激发了一场关于多普勒效应[1]的会商。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候的分歧感受。“当您面临一幅画或一座雕塑时，没有准确或错误的谜底，所以人们可以感受更舒畅地敞高兴扉，”莫奇说，她以前在布鲁克海文国度尝试室从事重离子理论工作，此刻专注于物理教育，强调物理学和艺术的交叉。她继续说，物理学经常使人疏远。“我对丰硕我们讲述的物理故事很感乐趣。在我的工作中，艺术、科学和社会公理是彼此联系的。”
和莫西一样，凯瑟琳·谢弗（Kathryn Schaffer）分开了研究密集型的职业，转而为艺术家们传授物理学。（在一次采访[2]中，她描述了本身退出有毒的物理文化的履历，以及关于她的糊口和职业的更多信息。）自2009年以来，她一向负责监视芝加哥艺术学院的科学项目。她在那边启动了一个科学家驻校打算，并经常邀请科学家来做讲座。她说，尽管科学并不依靠于艺术，但科学“在艺术宿世界中是不成或缺的”——从东西和手艺到艺术家处置的本家儿题，无不如斯。她说，尽管如斯，艺术家与科学家的合尴尬刁难科学家来说仍是有价值的，这难以权衡。例如，缔造性的跨学科合作可以“从头将注重力集中在我们从事科学实践所需要的好奇、关心和怪异的人类的赋性上。”
2003年，比约恩·贾姆特维特（Bj?rn Jamtveit）担任挪威奥斯陆一所关于地质过程物理学的新中间的本家儿任，他请来了画家、摄影师和其他艺术家与该中间的科学家合作。一位作曲家与一位研究岩石变形应力的科学家合作，操纵地质声音创作作品；此中一个是一种走进式装配，用岩石分裂的声音环抱着参不雅者。（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，科学家应该是客不雅的，但他们经常看到他们正在寻找的工具或他们熟悉到的熟悉的工具。贾姆特维特最初追求合作是为了经由过程优异的推广来增添将来获得帮助的机遇。他说：“因为我与艺术家的互动，我已经当作为一个更好的不雅察者。”
图1. 这幅作品作于2006年6月，丙烯画，56 × 70英寸，出自艺术家的保藏。托尼·罗宾供给。
与数学家紧密亲密合作的艺术家托尼·罗宾（Tony Robbin）描画了弯曲的三维晶格。编织的晶格由分歧的多面体进行颜色编码和标识。他诠释说，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，它们似乎是订交的。
图2. 安德鲁·佩林供给
奇塞尔阵列（Chixel Array）是一个用从一元店买来的工具和从垃圾堆里捡来的工具做当作的灯光雕塑。它始于用像素点亮玩具鸡的设法，并涉及设计电路和编码。“这既愚蠢又深邃。”渥太华大学生物物理学家的创始人安德鲁·佩林说。可是，他说，“它象征着我的尝试室的工作体例。在这一切的背后，我们正在培育一支可以或许承担任何项目标科学团队——一个在项目进行过程中可以或许自如地进行故障解除、迭代和转标的目的的团队。”
图3. 图片来自安德里亚·罗塞蒂摄影，?2013。
这张图片中环绕纠缠的网是由分歧种类的蜘蛛编织而当作的。它来自Arachnophilia，一个由柏林艺术家托马斯·萨拉切诺（Tomás Saraceno）倡议的跨学科研究项目，研究蜘蛛网布局、振动旌旗灯号等等。萨拉切诺开辟了一种扫描仪，将蜘蛛网数字化，并记实下了蜘蛛网振动的声音。
图4. 埃伦·卡林·米勒姆供给[3]
Geoprint是艺术家埃伦·卡林·米勒姆（Ellen Karin M?hlum）的系列作品。她和奥斯陆大学地质过程物理中间的科学家一路加入了斯瓦尔巴特群岛的海说神聊极探险，摸索岩石和火星情况中生命形式之间的关系。这些图片基于分歧比例的形式和图案，包罗这里展示的P0911和封面上的V7010的图像，是用印版、干点和模板分层形当作的。
图5. 由伊芙琳·多姆尼奇和德米特里·盖尔范德供给
声学悬浮的水滴在几乎没有剪切力的环境下扭转时发生共振、汽化并从头组合。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扭转动力学。
图6. 咖啡泡沫会移动并分裂。这张照片是经由过程装有智妙手机适配器的显微镜拍摄的。由菲利斯·弗兰克尔供给。
哈佛大学的乔治·怀特赛兹（George Whitesides）回忆说，在他们持久合作的早期，摄影师菲利斯·弗兰克尔（Felice Frankel）告诉他，他拍摄的水在概况扩散的照片“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乐趣使她深切领会了液体在小标准下的流体行为。“没有什么比一张好照片更能吸引眼球了。若是您看到一张惹人注目标照片，您会问，为什么会发生这种环境？这是科学的财富。”
弗兰克尔说，科学家们经常用字幕、标尺等等来堆积数字。“从构图上看，您不知道该看哪里。”她问科学家但愿不雅众首先看到什么。她说：“我利用设计原则的目标是为了交流科学，而不是为了缔造艺术。当人们理解本身所看到的工具时，就会变得加倍投入。”
跟着科学家们越来越多地被要求证实他们利用纳税人的钱是合理的，推广规模扩大了。这包罗在期刊上的插图，拨条目提案和与公家的活动。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。（考克斯的画作呈现在《今日物理》2021年3月号的封面和内部。）她为儿童、公家和物理学家建立工作室。他们操纵绘画、光和诗歌摸索太阳、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尝试室里找到的物品建造风铃。考克斯说：“人们缔造了关于原子和光、糊口和研究的工具，或者给本身设定了现实的方针，好比建造一个倒置的风铃。这是一个欢喜和开放的下战书。”
奥胡斯大学量子理论学家克劳斯·莫尔默（Klaus M?lmer）说，丹麦有着悠长的公共科学推广传统[4]，并且自从2005年宿世界物理年以来，这一传统就“爆发”了。莫尔默指出，“当艺术家和科学家彼此领会时，您就会获得合作。”
莫尔默与艺术家合作，包罗作曲家金·海尔威（Kim Helweg）。“我们具体会商量子力学，他问我问题，然后去做他想做的事。”莫尔默说。“灵感在两个偏向都是间接的。”艺术家们问他的问题让他“大开眼界”，他弥补道，“我认为物理和艺术的灵感来历没有太大区别。”
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，尝试音乐家的方针与科学家有重叠之处。“我们冲破边界，有所发现，并在新的范畴进行尝试。”在一个项目中，她将量子过程发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力。它是分歧的吗？它是可识此外吗？”山田说。早期数据表白，音色是可以区分的。莱温斯坦说：“若是人们能听到区别，这将导致关于认知的问题。”他弥补说：“量子宿世界不是直不雅的，所以它激发了公家的乐趣和兴奋点。”
2. 科学东西
加州拉霍亚斯克里普斯研究所的布局生物学家大卫·古德塞尔（David Goodsell）说，艺术在科学中饰演着两个本家儿要脚色。他说，“可视化东西帮忙科学家看到他们的科学，艺术被用来传布科学。我一向在研究第三个方面，我用艺术来发生科学假设。我的艺术专注于当作为科学的东西。”
古德塞尔描画了冠状病毒的生命周期、流感疫苗、脂滴和其他本家儿题。他将现有的常识与有按照的猜测连系起来，旨在扩展科学家的直觉和理解。这些画包含了很多近似和决议计划。例如，SARS-CoV-2刺突卵白在指导病毒与细胞融合的过程中发生了复杂的构象转变（见第24页的图）。他说：“布局快照可用于肇端和最终状况，但我利用艺术来猜测中心状况。我必需在各类假设中进行遴选。我与专家合作做这些图片。要让他们在没有限制的环境下明白亮相，往往是很坚苦的。”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卵白质数据库；doi:10.2210/rcsb _ pdb/goodsell-gallery-026。
布局生物学家大卫·古德塞尔的画中连系了已知的信息和最佳的猜测来描画分子布局的具体视图。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）操纵她作为艺术家的技术和敏感，帮忙科学家从复杂的数据集中提取更多信息。近十年来，她与洛斯阿拉莫斯国度尝试室的几位科学家紧密亲密合作，研究天气建模、海洋生物地球化学和小行星撞击发生的海浪等课题。今朝与海洋建模师马克·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供给，由国度科学基金会#IIS 1704604和1704904帮助。
模拟海洋环流给出了有关天气转变的线索。这张是南极冰盖的照片。黄色和橙色的曲线暗示洋流，浅蓝色到紫色暗示水深在增添，过渡到紫色暗示大陆坡。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子整合了数百个变量，分辩率为10公里。
萨姆塞尔说：“在艺术中，我们被练习利用视觉元素——线条、外形、颜色——来成立变量之间的关系，组织内容和指导注重力。”她弥补说，这可以用颜色来实现，“但您必需知道如何利用它。”她指出，传统的彩虹色地图可能会导致视觉假象。更主要的是，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，使不雅众的眼睛委靡。
萨姆塞尔说，艺术家与科学家合作的关头是不要拒绝假设。“科学家们必需把我可能不靠谱的设法放在一边。我必需尽力领会科学、科学家和他们的需求。”她弥补说，这个过程是频频的。“它在本家儿题上很丰硕，并且是共生的。”彼得森指出，“弗朗西斯卡是深深扎根于此，她是团队的一部门。”
为了描画南极冰架下水域的模拟，萨姆塞尔引入了基于手工雕镂形式的示踪剂。纹理、外形和暗影分歧的示踪剂使不雅察者可以或许区分多个变量——温度、盐度、水流、水深等。与用彩色球体暗示变量比拟，这样的图像更轻易理解。在虚拟实际中，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：“我们的方针是没有噪声的复杂情况，一个安静、清楚的视觉线索情况。”
3. 分歧的问题
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佳耦，他们创作的表演和装配作品深深植根于科学。盖尔范德说：“我们对刺激未知感知、物理和哲学范畴的艺术感乐趣。”20多年前，当他们起头合作时，他说：“我们选择了研究气体、流体和波动现象。这在艺术范畴是一种非正统的约束。它的灵感来自量子理论。”
这对组合的摸索包罗声致发光[5]、声悬浮[6]、黑洞和离子阱[7]。多米尼奇和盖尔范德进修相关科学。“我们面临这些奇异的物理现象的原因之一是为了认清实际的素质。”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）会商她的画作《dis,oRdered》。这幅自画像切磋了熵、热传递和时候，并将其与日常生活中的紊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传授阿格涅斯·莫西（?gnes Mócsy）传授。
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，此中含有灌注气体的水，从而发生声致发光效应。“高频声音会形当作微气泡。当它们分裂时，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度高级工业科学和手艺研究所的理论家安井京一（Kyuichi Yasui）说，在工作中不雅察气泡和声致发光很有意思，因为容器比尝试室大得多。固然这与他的研究没有直接联系，但他弥补说，“当我看到艺术时，我在研究中的压力就消逝了，我对艺术的热情对我的研究很有效。”
另一位作品布满科学气息的艺术家是栖身在柏林的阿根廷艺术家托马斯·萨拉塞诺（Tomás Saraceno）。他说：“我们需要从头发现我们的合作模式，并进行跨学科的合作。”因为人类面对的问题很是严重：全球变暖、大规模灭尽、人类磨难。萨拉塞诺的项目包罗数字化和重建蜘蛛网，并记实蜘蛛在蛛网上制造的振动。他说：“此刻我认为收集是一种乐器，蜘蛛经由过程调整蛛网来感知和定位猎物；能量经由过程收集传布。”他指出，人们已经将三维重建的蜘蛛网与宇宙收集进行了比力。“您可以按比例放大，思虑视觉结果、和声和音阶。”
安德里亚·波利（Andrea Polli）的装配作品《颗粒瀑布》同样基于科学。新墨西哥大学传授和情况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。
德国尤里克量子节制研究所所长托马索·卡拉科（Tommaso Calarco）说，艺术可以经由过程打开需要理解的事物的大门来帮忙科学。艺术家提出分歧的问题，激发新的思维体例。艺术家们用“斑斓、吸惹人、令人兴奋和情感化”的体例来表达设法。卡拉科说，多米尼奇和盖尔范德让科学尝试“看起来很美，发人深省”。他们缔造了一种奇思妙想的感受，这可以激励科学家们以分歧的体例看待他们的研究。
卡拉科说，与艺术和艺术家的互动“形当作了一个壮大的精力支柱和灵感，塑造了他在量子热力学方面的工作偏向。”他说：“若是我们健忘了科学是斑斓的，我们或许会拥有明天的立异，但不会拥有后天的立异。追求常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）暗示，艺术和科学都正视简约和强度。“这一点在诗歌中是显而易见的，而在另一种环境下，方程式或诠释在简明简要的时辰传达得最好。”但他说，分歧之处在于感情。“艺术家、诗人、音乐家、跳舞家都长于用感情交流。但科学大体上解除了感情的影响。”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）正在用感情描述符编织一个故事。”沟通感情是科学可以从艺术中进修到的工具。“我对成立一个常识社区感乐趣。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，请拜见2021年4月1日在线版《Physics Today online》中《Art, sound, and science》一文。
参考资料
[1] W?rner 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].天然杂志,1991(04):259-260.
[6] 沈昌乐,解文军,洪振宇,魏炳波.声悬浮手艺的成长及应用[J].现代物理常识,2010,22(03):10-13.
[7] 周浩林.小型化质谱设计的探讨[J].仪表手艺,2014(04):1-6.
原文地址：
https://physicstoday.scitation.org/doi/full/10.1063/PT.3.4722
