科學史學家通常把 1543 年定為科學革命的開始時間，那一年哥白尼出版的《天球運行論》首次摒棄了地心說的觀點，讓地球開始運動。雖然這是一個方便又合理的選擇，但它并不是唯一的好選擇。在哥白尼之前，一個由藝術需求而非天文需求驅動的科學突破同樣具有深遠意義：1420 年前后，菲利波?布魯內列斯基（Filippo Brunelleschi）發明了透視畫法。

布魯內列斯基通過圖 1 中所示的絕妙實驗展示了他準確描繪圖像的能力。在他完成這項實驗十五年后，萊昂?巴蒂斯塔?阿爾貝蒂 (Leon Battista Alberti) 提出了對這種技術的經典解釋。它涉及一種十分有趣的新型幾何學：射影幾何學。

布魯內列斯基和阿爾貝蒂的成果對當時的藝術家產生了巨大影響。顯然，它能使藝術家更準確地描摹景物。它也為當時的人們樹立起了巨大的信心：人們終于有了一個明顯超越古希臘人和羅馬人的重大發現。對于藝術家來說，他們所求索的不再是恢復已消失的遺產，而是發展一種全新的創造力。

我們可以在圖 2 佩魯吉諾 (Perugino) 的杰作《鑰匙的交付》 (1481-1482) 中看到射影幾何學的身影。城市廣場的地磚、建筑標記出的平行線，以及人物和景物的遠近相對大小，都展示了科學準確的繪畫技巧。

有時會有人認為，科學和藝術在其方法和范疇上有根本區別，因為科學力求客觀，而藝術本質上是主觀的。透視科學證明了這種說法的膚淺。就透視而言，我們關心的是人們在一個特定位置和特定角度上看到的景象究竟是什么樣子的。事實上，它可以被定義為對主觀的客觀研究。

更值得注意的是透視預測基礎科學概念的方式，這些概念會決定我們對自然法則的理解。大多數人都不熟悉現代物理學中的許多重要思想。在原始的論文中，它們可能會顯得抽象晦澀而難以接受，因此科普工作者必須經常使用隱喻和類比。但是要找到既忠實于原始思想又易于理解的隱喻是一項挑戰；更具挑戰性的是以一種恰到好處的方式來展示這些思想的美感。多年來，我曾多次與這個問題作斗爭。在這里，我很樂意提出一個讓我真正感到滿意的解決方案。

射影幾何學這一文藝復興時期的藝術創新，不僅包含隱喻，還包含宏大、精巧且深奧的思想的真實模型：

? 相對性原理認為同一物體可以用許多不同的方式忠實而完整地表現出來。從這個意義上說，相對性是射影幾何的本質。我們可以從許多不同的角度描繪同一個景象。畫布上的顏料分布會有所不同，但都描繪物體的相同信息，只是以不同的方式呈現。

? 對稱與相對性密切相關，盡管現在我們的注意力集中在繪畫的描摹對象而不是觀眾身上。“無變化的變化”是對稱的本質。考慮最對稱的形狀：圓形。圍繞圓心將圓旋轉任意角度，這種變換改變了圓上每個點的位置，而整個圓并沒有改變。同樣，如果我們移動描摹的物體 —— 比如旋轉它，或改變它的位置 —— 我們將改變它的外觀。但它的投影描述 —— 即所有可能視角提供的視圖總和 —— 保持不變，因為你可以移動畫架來抵消這種變化。

? 不變性是相對性的對立面。當我們改變視角時，物體的許多方面都有不同的表示，但所有這些表示都有一些共同的特征。例如，物體中的直線從任何角度看都仍然顯示為直線，盡管它們在畫布上的方向和位置會有所不同；如果三條直線在實際物體中相交，那么無論從任何角度去看，它們的投影仍然會相遇在一個點上。所有表示共有的特征被稱為不變性。不變量非常重要，因為它們定義了對象的客觀特征，這些特征從任何角度來看都是有效的。他們定義了其“客觀現實”的本質。

在現代物理學的前沿，相關實驗難度很大。簡單的實驗已經完成了，它們揭示的原理也已經被相關理論徹底吸收了。以前的物理學家耐心地積累數據，然后用這些數據來推斷規律，但這種歸納法已經不再實用。相反，現在有效的方法是猜測規律，推導出它們的結果，如何在實驗上校驗這些猜想，從而發現大自然是否真的按照這些規律來運轉。

如果不是實驗數據，那么猜想的依據是什么？一個詞，審美。如上面所說，對稱性是當代物理學家最重要的靈感源泉，為我們提供了最豐富的成果。我們提出的方程可以有許多種表現形式，但它們的本質內容是相同的。

事實上，物理學基本法則所體現的對稱原則與兩種新的藝術視角之間有著不可思議的相似之處。

在如下圖 3 中 István Orosz 所作的扭曲圓柱圖等變形藝術作品中，人們可以使用鏡子和透鏡等設備來實現比普通透視更復雜的變換。同樣，在廣義相對論中，人們可以通過重新排列所謂的度規流來實現同一時空在各種不同變換下的外觀。（這是愛因斯坦“廣義協變”的精髓。）

愛因斯坦通過尋找特殊的對稱方程得出了他的引力理論，這些方程的實質內容不會由于這種時空的變換而改變。

我們關于其他基本相互作用力 —— 電磁力、弱力和強力 —— 的理論也是基于一種變換，這些變換在藝術中不太常見，但并非不為人知。它們不是移動圖像中的點，而是在不同的地方以不同的方式變換顏色。亨利?馬蒂斯 (Henri Matisse) 利用這個想法繪制了幾幅引人注目的繪畫。

今天，科學與藝術在許多方面都有著積極的互動。舉幾個例子：分形一直是圖形藝術的靈感來源，并為創造華麗的人造“風景”提供了動力；天文學的圖像經常使用假色，帶有這樣人工配色圖像的海報常用于裝飾；電影和體育廣播中包含豐富的創意數字圖像處理。

但科學與藝術之間創造性合作的可能性遠未耗盡。事實上，我認為我們只是做到了皮毛。

物理學家經常稱贊物理學概念和方程式的美麗，當然事實也的確如此。另一方面，人類是強烈的視覺生物。因此我們很值得將將這些美麗的概念和方程式用信號處理和計算機圖形學等現代手段轉化為直觀可見的形式，這樣物理學家可以直觀領會概念的內涵，普通人也可以欣賞和享受現代物理學的美感。我們尤其需要用更好的方法讓自己與高維空間進行感官接觸，例如我們在量子理論和處理大數據時遇到的空間。如同布魯內列斯基利用透視和投影立體地展現景物一樣，用藝術來類比科學的當代物理學家們還有很多工作可以做。

作者：Frank Wilczek

翻譯：藏癡

審校：圓周 π 小姐

原文鏈接：Why physics needs art to help picture the universe

本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Frank Wilczek

總結

以上是生活随笔為你收集整理的诺奖得主眼里，科学和艺术没什么不同的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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