诺奖得主眼⾥，科学和艺术没什么不同
Frank Wilczek
中科院物理所
2023-02-07 11:32:28
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《⼩⼩物理学家：孩⼦眼中的物理学》
科学史学家通常把
1543
年
定为科学⾰命的开始时间，那⼀年哥⽩尼出版的《天球运⾏论》⾸次摒弃了地⼼说的观点，
让地球开始运动。虽然这是⼀个⽅便⼜合理的选择，但它并不是唯⼀的好选择。在哥⽩尼之前，⼀个由艺术需求⽽⾮
天⽂需求驱动的科学突破同样具有深远意义：
1420
年前后，菲利波
·
布鲁内列斯基（
Filippo Brunelleschi
）发明了
透视
画法
。
布鲁内列斯基通过图
1
中所示的绝妙实验展示了他准确描绘图像的能⼒。在他完成这项实验⼗五年后，莱昂
·
巴蒂斯塔
·
阿尔⻉蒂
(Leon Battista Alberti)
提出了对这种技术的经典解释。它涉及⼀种⼗分有趣的新型⼏何学：
射影⼏何学
。
图
1
：布鲁内列斯基的装置，观看者可以通过移开镜⼦将反射的图像与事物本身进⾏⽐较
布鲁内列斯基和阿尔⻉蒂的成果对当时的艺术家产⽣了巨⼤影响。显然，它能使艺术家更准确地描摹景物。它也为当
时的⼈们树⽴起了巨⼤的信⼼：⼈们终于有了⼀个明显超越古希腊⼈和罗⻢⼈的重⼤发现。对于艺术家来说，他们所
求索的不再是恢复已消失的遗产，⽽是发展⼀种全新的创造⼒。
我们可以在图
2
佩鲁吉诺
(Perugino)
的杰作《钥匙的交付》
(1481-1482)
中看到射影⼏何学的身影。城市⼴场的地砖、
建筑标记出的平⾏线，以及⼈物和景物的远近相对⼤⼩，都展示了科学准确的绘画技巧。
图
2
：透视之美：佩鲁吉诺的《钥匙的交付》（
1481-1482
）
有时会有⼈认为，科学和艺术在其⽅法和范畴上有根本区别，因为科学⼒求客观，⽽艺术本质上是主观的。透视科学
证明了这种说法的肤浅。就透视⽽⾔，我们关⼼的是⼈们在⼀个特定位置和特定⻆度上看到的景象究竟是什么样⼦
的。事实上，它可以被定义为
对主观的客观研究
。
更值得注意的是透视预测基础
科学概念的
⽅式，这些概念会决定我们对⾃然法则的理解。⼤多数⼈都不熟悉现代物理
学中的许多重要思想。在原始的论⽂中，它们可能会显得抽象晦涩⽽难以接受，因此科普⼯作者必须经常使⽤
隐喻和
类⽐
。但是要找到既忠实于原始思想⼜易于理解的隐喻是⼀项挑战；更具挑战性的是以⼀种恰到好处的⽅式来
展示这
些思想的
美感
。多年来，我曾多次与这个问题作⽃争。在这⾥，我很乐意提出⼀个让我真正感到满意的解决⽅案。
射影⼏何学这⼀⽂艺复兴时期的艺术创新，不仅包含隐喻，还包含宏⼤、精巧且深奥的思想的真实模型：
?
相对性原理
认为同⼀物体可以⽤许多不同的⽅式忠实⽽完整地表现出来。从这个意义上说，相对性是射影⼏何的本
质。我们可以从许多不同的⻆度描绘同⼀个景象。画布上的颜料分布会有所不同，但都描绘物体的相同信息，只是以
不同的⽅式呈现。
?
对称与相对性密切相关
，尽管现在我们的注意⼒集中在绘画的描摹对象⽽不是观众身上。
“
⽆变化的变化
”
是对称的本
质。考虑最对称的形状：圆形。围绕圆⼼将圆旋转任意⻆度，这种变换改变了圆上每个点的位置，⽽整个圆并没有改
变。同样，如果我们移动描摹的物体
——
⽐如旋转它，或改变它的位置
——
我们将改变它的外观。但它的投影描述
——
即所有可能视⻆提供的视图总和
——
保持不变，因为你可以移动画架来抵消这种变化。
?
不变性是相对性的对⽴⾯
。当我们改变视⻆时，物体的许多⽅⾯都有不同的表示，但所有这些表示都有⼀些共同的
特征。例如，物体中的直线从任何⻆度看都仍然显示为直线，尽管它们在画布上的⽅向和位置会有所不同；如果三条
直线在实际物体中相交，那么⽆论从任何⻆度去看，它们的投影仍然会相遇在⼀个点上。所有表示共有的特征被称为
不变性。不变量⾮常重要，因为它们定义了对象的客观特征，这些特征从任何⻆度来看都是有效的。他们定义了其
“
客
观现实
”
的本质。
在现代物理学的前沿，相关实验难度很⼤。简单的实验已经完成了，它们揭示的原理也已经被相关理论彻底吸收了。
以前的物理学家耐⼼地积累数据，然后⽤这些数据来推断规律，但这种
归纳法
已经不再实⽤。相反，现在有效的⽅法
是
猜测规律
，推导出它们的结果，如何在实验上校验这些猜想，从⽽发现⼤⾃然是否真的按照这些规律来运转。
如果不是实验数据，那么猜想的依据是什么？⼀个词，
审美
。如上⾯所说，
对称性
是当代物理学家最重要的灵感源
泉，为我们提供了最丰富的成果。我们提出的⽅程可以有许多种表现形式，但它们的本质内容是相同的。
事实上，物理学基本法则所体现的对称原则与两种新的艺术视⻆之间有着不可思议的相似之处。
在如下图
3
中
István Orosz
所作的扭曲圆柱图等变形艺术作品中，⼈们可以使⽤镜⼦和透镜等设备来实现⽐普通透视
更复杂的变换。同样，在⼴义相对论中，⼈们可以通过重新排列所谓的度规流来实现同⼀时空在各种不同变换下的外
观。（这是爱因斯坦
“
⼴义协变
”
的精髓。）图
3
：在变形艺术中，
István Orosz
等现代艺术家扩展了透视的内涵，变形艺术不仅允许图像因视点变化⽽发⽣变化，还包含平⾯镜和
透镜引起的变化
爱因斯坦通过寻找
特殊的对
称⽅程
得出了他的引⼒理论，这些⽅程的实质内容不会由于这种时空的变换⽽改变。
我们关于其他基本相互作⽤⼒
——
电磁⼒、弱⼒和强⼒
——
的理论也是基于⼀种变换，这些变换在艺术中不太常⻅，
但并⾮不为⼈知。它们不是移动图像中的点，⽽是在不同的地⽅以不同的⽅式
变换颜⾊
。亨利
·
⻢蒂斯
(Henri Matisse)
利⽤这个想法绘制了⼏幅引⼈注⽬的绘画。
图
4
：亨利
·
⻢蒂斯
(Henri Matisse)
的《戴帽⼦的⼥⼈》
(1905)
，其中的细节介绍了另⼀种
“
透视
”
：观众在
“
⾊彩空间
”
⽽不是现实空间
中移动。图源维基。
今天，科学与艺术在许多⽅⾯都有着积极的互动。举⼏个例⼦：分形⼀直是图形艺术的灵感来源，并为创造华丽的⼈
造
“
⻛景
”
提供了动⼒；天⽂学的图像经常使⽤假⾊，带有这样⼈⼯配⾊图像的海报常⽤于装饰；电影和体育⼴播中包
含丰富的创意数字图像处理。
但科学与艺术之间创造性合作的可能性远未耗尽。事实上，我认为我们只是做到了⽪⽑。
物理学家经常称赞物理学概念和⽅程式的美丽，当然事实也的确如此。另⼀⽅⾯，⼈类是强烈的视觉⽣物。因此我们
很值得将将这些美丽的概念和⽅程式⽤信号处理和计算机图形学等现代⼿段转化为直观可⻅的形式，这样物理学家可
以直观领会概念的内涵，普通⼈也可以欣赏和享受现代物理学的美感。我们尤其需要⽤更好的⽅法让⾃⼰与⾼维空间
进⾏感官接触，例如我们在量⼦理论和处理⼤数据时遇到的空间。如同布鲁内列斯基利⽤透视和投影⽴体地展现景物
⼀样，⽤艺术来类⽐科学的当代物理学家们还有很多⼯作可以做。
作者：
Frank Wilczek
翻译：藏痴
审校：圆周
π
⼩姐
原⽂链接：
Why physics needs art to help picture the universe
fu
li
shi
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“
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”
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象⼒，同时将对⽇常⽣活现象与科学知识的内在联系产⽣深刻的认识。
【
互动问题：你知道哪些科学和艺术互相影响的例⼦？
】
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编辑：藏痴
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