專業 物理

將科學與藝術融合能拓展我們的視野

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撰文者:Toni Feder 譯者:宋育徵
發文日期:2021-08-05
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  • 合作可強化科學上的交流、可視化和靈感
     
    在看了《恐怖小店》(Little Shop of Horrors)之後(註解1),安德魯・佩林 (Andrew Pelling) 和他的研究小組想知道他們是否可以製造出有肌肉的植物。他們的靈感來自於一部1986年的電影中一株名為奧黛麗二世 (Audrey II),以血肉維生的怪物植物。佩琳的研究小組試著在葉片上培養肌肉組織但並未成功,不過這項嘗試激起了他們在過去十年中蓬勃發展的研究方向:以植物和聚合物為基底,作為培養哺乳動物組織的支架。他說,最近他們已經證實,以蘆筍做成的支架能引導神經元的生長,可以用來治療脊髓損傷。另外,他們也一直在研究由實驗室中一位紡織藝術家所開發的新型聚合物支架。


    位於渥太華大學 (University of Ottawa) 物理系,佩林的研究小組從一開始就是由科學家和藝術家所組成—有雕塑家、畫家、數位媒體藝術家等;目前實驗室大約15位成員中,有3位是藝術家。佩林說:「我認識的每位藝術家都像科學家一樣,忙於質疑和探究這個世界。」他的目標是提出以前從未被問過的問題:「對我而言,最好的方式就是與各式各樣的人一起,共享午餐並且輕鬆閒聊。」他說,這些互動不僅帶來了博物館珍藏品,而且還推動了科學發展。


    科學和藝術通常是分隔的兩個領域—就像在科學領域內也有分不同的子學科。但情況並非總是如此—試想一些例子,李奧納多・達文西 (Leonardo da Vinci) 研究了摩擦力以及其他不同的主題;或是同樣生在十五世紀的皮耶羅・德拉・弗朗切斯卡 (Piero della Francesca),同時是個畫家跟數學論文的作者。如今,科學與藝術聯繫的範圍可以從受科學啟發的藝術,到以藝術作為解釋或說明科學的媒介,再到由藝術家探索的科學,乃至於—這或許是最罕見的—以促進科學理解為目標的合作。


    間接的靈感

    普瑞特藝術學院 (Pratt Institute) 是一所位於紐約布魯克林區(Brooklyn, New York),致力於藝術、設計,與建築的學校。Ágnes Mócsy是該學院的物理學與天文學教授。對Ágnes Mócsy而言,喬瑟夫・斯特拉 (Joseph Stella) 所繪的布魯克林大橋可以激起人們對都卜勒效應 (Doppler effect) 的討論;傑克森・波洛克 (Jackson Pollock) 的畫作則潛藏了動量、能量,以及流體力學;雕塑作品可以從質量和空間,延伸到廣義相對論;而比較來自東方和西方文化的藝術品,則可以闡述不同的時間與空間概念。「在面對一幅畫作或一座雕塑品時並沒有所謂正確或錯誤的答案,因此人們可以更放鬆地敞開心胸去觀賞。」Mócsy說。Mócsy曾在布魯克黑文國家實驗室 (Brookhaven National Laboratory) 從事重離子理論 (heavy-ion theory) 的研究,現在的她將重點放在物理教育上,注重物理與藝術間的結合。「物理經常使人們感到疏遠,」她繼續說:「我有興趣讓我們對物理學的敘述變得更加豐富。藝術、科學,和社會正義在我的作品中是相互聯繫的。」


     
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    在他的繪畫中,結構生物學家大衛・古德塞爾(David Goodsell)將已知的資訊與最佳的猜測做結合,描繪出詳細的分子結構圖。這幅水彩畫的標題為SARS-CoV-2 Fusion, 2020.(由大衛・古德塞爾(David Goodsell)繪製,RCSB蛋白質資料庫(Protein Data Bank); doi: 10.2210/rcsb_pdb/goodsell-gallery-026。) 


    就如同Mócsy一樣,凱薩琳・謝弗 (Kathryn Schaffer) 離開了以研究為主的職業,向藝術家們傳授物理學知識。(她在https://physicstoday.org/schaffer 網頁上的一次採訪中,描述自己從令人窒息的物理學文化中退出,也講述更多有關她的生活和職業上的內容。)自2009年以來,她負責監督芝加哥藝術學院 (School of the Art Institute of Chicago) 的科學計劃。她在那裡開始了一項駐地科學家計劃,並經常邀請科學家來進行演講。她說,儘管科學不是依賴於藝術上,但科學是「在藝術的世界中不可或缺的一部分」—包含了從工具、技術,到藝術家要討論的議題。她又說到,藝術家與科學家之間的合作,對科學家來說也有著難以衡量的價值。例如,創新的跨學科合作可以「將注意力重新集中在那些投入在科學實踐中,有好奇心、付出關懷,和獨特的人身上。」


    2003年,作為在挪威奧斯陸 (Oslo, Norway) 的新研究中心,研究地質運動過程中物理學的負責人比約恩・吉瑪維特(Bjørn Jamtveit),邀請了畫家、攝影師,和其他的藝術家與該中心的科學家們一起合作。一位作曲家與一位研究岩石變形作用力的科學家合作,利用地質發出的聲音譜出一部部的作品,而其中一項是個可讓參觀者步入的裝置,讓他們被包圍在岩石碎裂的聲響中。(這篇文章的網路版本中,有藝術家與科學家之間在聲音方面合作的例子。) 科學家們應該要是客觀的,但他們通常只看到自己正在尋找,或是他們認為熟悉的東西,吉瑪維特說。吉瑪維特原先企圖透過優勢拓展追求合作以增加獲得未來資金的機會。「與藝術家之間的互動,讓我成為了更好的觀察者,」他說。


    在哈佛大學 (Harvard University) 的喬治・懷特塞德斯(George Whitesides)回憶起,在他們長期合作的早期,攝影師費利斯・法蘭科( Felice Frankel) 曾說他那水在表面擴散的照片「很無聊」,她可以做得更好。懷特塞德斯表示,這項挑戰及法蘭科對美學的興趣讓人們能洞悉流體在小尺度下的行為表現。「沒有任何東西能比一張好的照片更能吸引人們的注意。當您看到一張引人注目的照片,就會問:『這是怎麼發生的?』而這對科學來說是莫大的價值。」
     

    法蘭科說,對她而言,科學家們經常在圖片中擠滿了說明、比例尺,或是更多其他的東西。「從圖片的組成上來說,您不知道要從何看起。」她問科學家們希望觀眾先看到什麼。「我將設計的原則用於科學交流的目的,而不是為了創造藝術,」她說:「當人們了解自己所看到的東西時,他們才會更加投入。」


    隨著越來越多科學家被要求證明合理使用納稅人的錢,科學的推廣範圍也越來越大。它包括了期刊上的插圖、研究計畫提案,以及公眾的活動。格拉爾丁・考克斯(Geraldine Cox)是一位擁有物理學學士學位的藝術家,她加入了倫敦帝國學院(Imperial College London)物理學系。(考克斯的畫作可見於《今日物理》(Physics Today) 2021年3月份的封面照片及內文中。) 她為兒童、一般民眾及物理學家創立了工作室。他們利用繪畫、光線,及詩歌探索太陽、原子光譜和其他現象。例如,在一項以雕塑家亞歷山大・卡爾德 (Alexander Calder) 為出發點舉辦的活動中,她讓原子物理學家利用他們在實驗室中的物品來製造手機。「人們製作了和原子與光、生命與研究有關的東西,或是替自己設定了實際的目標,例如:建造一個上下顛倒的手機,」考克斯說:「那是一個洋溢著歡樂氣氛和充滿開放性點子的下午。」


    在奧胡斯大學(University of Aarhus)的量子理論學家克勞斯・莫爾默(Klaus Mølmer)說,公共科學領域的推廣是丹麥長久以來的傳統,從2005世界物理年開始就「爆炸」了。(請見《今日物理》2005年12月份的第15頁,由勞倫斯・拉韋爾(Laurence Lavelle)所寫的「從世界物理年中學到的課題」(“Lessons learned from the World Year of Physics”)這封信。)莫爾默指出,當藝術家和科學家彼此了解之後,「您們就會開始合作」。




    莫爾默和藝術家們組成團隊,其中包含了作曲家金・黑爾韋格(Kim Helweg)。「我們對量子力學做詳盡地討論,他問我問題,然後去執行任何他想做的事,」莫爾默說:「靈感對雙方來說都是間接的。」藝術家們向他提出的問題令他「大開眼界」,他補充道:「我不認為物理和藝術的靈感來源會有多大的區別。」


    在西班牙巴塞隆那的光子科學研究所(the Institute of Photonic Sciences)中,馬切伊・列文斯坦(Maciej Lewenstein)與山田麗子(Reiko Yamada)是另一組量子物理學家與作曲家之間的合作。「實驗音樂人的目標與科學家們重疊,」作曲家山田麗子說:「我們突破界線、創造新發現,並在新的領域中進行試驗。」在一項專案裡,她將量子過程所產生的隨機推動整合到音樂的音色中。山田說:「我們將聲音與古典的隨機性做比較。彼此之間是否具有差異?它們可以被識別出來嗎?」早期的數據顯示音色是可以被區分的。「如果人們可以聽出其中的差異,就會產生有關認知方面的問題,」列文斯坦補充說:「量子的世界並不直觀,因此會引起公眾的興趣,使人們感到興奮。」


    科學的工具

    藝術在科學領域中扮演了兩個主要的角色,大衛・古德塞爾 (David Goodsell) 說。他是一位在加州拉霍亞 (La Jolla, California),斯克里普斯研究所(Scripps Research Institute)的結構生物學家。他說,可視化工具可以協助科學家們看到他們的科學,而藝術則可以被用來與科學進行交流。「我一直在做第三方面的工作,」他說:「我利用藝術提出科學假說。我的藝術主要是成為科學的工具。」
    古德塞爾曾繪製過的主題,有冠狀病毒的生命週期、流感疫苗,還有脂質體與其他議題等。他將當前的知識與有根據的推測結合在一起,致力於擴展科學家們的直覺力及理解。畫作中包含了許多的近似及決策。以SARS-CoV-2的棘蛋白為例,它會在病毒與細胞融合的過程中經歷複雜的結構變化。(請見第24頁的圖。)「在融合過程的起始與最終狀態,其結構是可以被拍攝到的。但我藉由藝術執照來推測它的中間狀態,」他說:「我必須在多個假設中做選擇,我在與專家們合作下製作了這些圖畫。要確定和提交這些沒有通過檢驗的圖畫內容通常是相當不易的。」不過,這些圖畫讓科學家可以釋懷,因為那是屬於「藝術家們的演譯」,古德塞爾說。


    弗朗切斯卡・桑姆(Francesca Samsel)利用她身為藝術家的技能和敏銳度,幫助科學家從眾多的數據資料中擷取更多的資訊。她已與洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)裡的幾位科學家緊密合作了近十年的時間,涉及的主題包含了建立氣候模型、海洋的生物地質化學,及小行星撞擊所引發的海浪等。而目前與海洋模型的建構人馬克・彼得森(Mark Petersen)等人合作的項目涉及了南極的融冰和海洋環流(請見第25頁的圖)。


     
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    模擬海洋循環為氣候變遷提供相關的線索。圖為以朝向南極的視角拍攝的南極冰蓋。以黃色和橘色的波浪代表潮流;而由淺藍色至紫色表示增加的海水深度,在藍色過渡到紫色的區域為大陸坡。圖上的追蹤物代表一些如鹽度和冰棚水之類的參數。美國能源部(The US Department of Energy)的百萬兆級地球能源系統模型(Energy Exascale Earth System Model)包含數百個變量,並有10公里的解析度。(由NSF #IIS 1704604和1704904創立的Sculpting Vis合作公司、Daniel Keefe,和Francesca Samsel所提供。)


    「在藝術領域,我們受過訓練,可以使用視覺元素(例如:線條、形狀、顏色)來建立變數、組織內容,與目光吸引之間的關係,」桑姆補充:「這些都可以藉由顏色來建立關係,但是您必須知道要如何使用它。」她指出,傳統的彩虹色彩圖可能會導致視覺上的偽影(visual artifacts)。而且,在這種色彩圖中,完全飽和的顏色是相鄰的,這會導致震動幻視(visual vibration)的現象,讓觀看者的眼睛感到疲倦。


    桑姆說,科學家與藝術家合作的關鍵,在於要拋開預設的立場。「科學家必須先將認為我是瘋瘋顛顛的假設放在一邊。而我必須努力去理解科學、科學家們,還有他們的需求,」她補充說,這是個來回的過程。「這在主題上是豐富且互利的,」彼得森指出:「弗朗切斯卡已深深融入,她是我們團隊的一員。」


    為了描繪對南極冰棚下水域的模擬,桑姆在作品中加入了手工雕刻形式的追蹤物。利用紋理、形狀,還有陰影使觀看者可以根據不同的追蹤物區分多個變數,像是溫度、鹽度,還有水深等。這樣的圖像與利用彩色球體表示變數的圖像相比,可以讓觀看者更容易地消化其中的訊息。在虛擬環境中,科學家可以自由地走近或拉遠,從多個面向來研究實驗數據。桑姆說:「目標是複雜的,但卻一點都不惱人—是一個有著平靜、清晰視覺線索的環境。」


    不同的問題

    伊芙琳娜・多明尼奇(Evelina Domnitch)和迪米崔・蓋爾芬德(Dmitry Gelfand)是來自荷蘭的藝術家夫妻,他們創作的作品和裝置深深植根於科學。「我們對能激發未知的物理和哲學領域的藝術深感著迷,」蓋爾芬德說。當他們在二十多年前開始合作時,他說:「我們選擇研究氣體、流體,和波的現象。這在藝術中超越了傳統的約束。它是受量子理論所啟發的。」


    這兩人的探索領域包含了聲致發光 (sonoluminescence)、聲波懸浮 (acoustic levitation)、黑洞 (black holes),以及離子阱 (ion traps)。多明尼奇和蓋爾芬德學習了相關的科學知識。「其中一項讓我們去學習這些奇異物理現象的原因,是想面對現實的本質,」多明尼奇說。

     
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    蘇珊・布朗(Suzanne Brown)(右)與耶魯大學美術館(Yale University Art Gallery)的館長史蒂芬妮・懷爾斯(Stephanie Wiles)討論她的作品dis,oRdered。在自畫像中,探索著熵、熱的傳遞,以及時間,並與對混亂和壓力的日常感受進行類比。這幅畫是布朗於2019年在一門大學課程Physics Meets the Art上所做的作品。該門課是由一位來自普雷特藝術學院(Pratt Institute),當時擔任耶魯大學物理系的客座教授Ágnes Mócsyn授課。



    在他們一項名為Camera Lucida的藝術作品中,藝術家們將聲波傳送到一個裝著溶有氣體的水的60公升玻璃圓球中,從而引起聲致發光(sonoluminescence)。「高頻率的聲波會形成微小的泡泡。它們在崩塌時會達到有如太陽一般的高溫,並發出微弱的閃光,」多明尼奇說。在位於日本名古屋市的國家產業技術綜合研究所(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)裡的一位研究員安井久一(Kyuichi Yasui)說,觀察作品中的氣泡和聲致冷光是很有趣的,「因為那個玻璃容器比實驗室中的大多了。」儘管這和他的研究沒有直接的關聯,他補充道:「我心中的壓力在我看到這項藝術作品的同時就消失了,而我對藝術的熱情也對我的研究很有幫助。」


    另一位將作品融入於科學中的藝術家,是來自阿根廷並駐於柏林的托馬斯・薩拉塞諾(Tomás Saraceno)。「我們需要重塑我們合作模式,並展開跨學科的工作,」他說,原因在於人們正面臨大規模的問題:全球暖化、大規模絕種、人民的苦難。薩拉塞諾的專案包括對蜘蛛結的網進行數位化及重建,並記錄蜘蛛在網上所造成的振動。「現在,我將蜘蛛網視為一種樂器,」他說:「蜘蛛透過調節牠的網來感受或定位獵物的方向,而能量會藉由蜘蛛絲傳播出去。」他指出,蜘蛛網在三維空間上的重建會與宇宙網進行比較。「您可以擴大規模,並思考其中的視覺效果以及合音和音階。」


     
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    彎曲的三維晶格是由與數學家密切合作的藝術家托尼・羅賓(Tony Robbin)所繪。編織的晶格由顏色進行編碼,並以不同的多面體標示。他解釋道,在更高的維度下,晶格會相互地上下流動,但在投影的影像中它們似乎是相交的。這幅畫是2006年6月所作,是繪在來自藝術家收藏的56×70英寸畫布上的壓克力顏料(丙烯酸)繪畫。(由托尼・羅賓提供)

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    咖啡泡泡的移動與破裂。圖為以連接著智慧型手機的顯微鏡捕捉到的畫面。(由費利斯・法蘭科(Felice Frankel)提供)


     


    安德里亞・波利(Andrea Polli)的裝置Particle Falls也同樣是以科學做為出發點。新墨西哥大學(The University of New Mexico)的教授與環境藝術家在費城(Philadelphia)和其他城市的街道上,展示了懸浮微粒的濃度。每15秒會更新一次數據並投影在建築物上,讓原本看不見的汙染變得清晰可見。
     
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      CHIXEL ARRAY是一個光雕藝術品,是由一美元商店購買的物品加上垃圾堆中清出來的東西製作而成。它的想法來自於以像素格照明的玩具雞,並包含設計電路及編碼。「這愚蠢又神秘,」創造這項藝術品的渥太華大學(University of Ottawa)生物物理學家安德魯・佩林(Andrew Pelling)說。但是,他說:「它象徵著我實驗室的工作模式。在這一切之下,正培養著一支可承擔任何項目的科學團隊—一個善於對進行中的工作項目進行故障排除、反覆嘗試,以及擔任樞紐的團隊。」(由安德魯・佩林提供)

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    地理繪畫是藝術家艾倫・卡琳・馬魯姆(Ellen Karin Mæhlum)的系列作品。她與奧斯陸大學(University of Oslo)地質過程物理學中心的北極探險隊的科學家們,一起探索在類似於火星的環境下,岩石與生命形式之間的關聯。根據不同比例的形式與圖案,這些圖像(包括在此處顯示的P0911和封面上的V7010)是利用印刷版、針刻凹版,及鏤空模版分層製成的。(由艾倫・卡琳・馬魯姆提供,www.ellenkarin.no。)
     


    藝術替需要被理解的科學敞開了大門,德國於利希(Jülich, Germany)量子控制研究所(the Institute of Quantum Control)的所長托瑪索・卡拉爾科(Tommaso Calarco)說。藝術家們會提出不一樣的問題,可激發新的思維模式。且藝術家們會以「優美的、吸引人的、令人振奮的,以及富有情緒的」方式來表達想法。卡拉爾科說,多明尼奇和蓋爾芬德使科學實驗「看起來很美,且發人深省。他們製造出的驚喜感,能激發科學家以不同的方式進行他們的研究。」


    卡拉爾科說,與藝術或是藝術家合作,能在他塑造量子熱力學研究方向的過程中「形成強烈的依靠和靈感」。他說:「如果我們遺忘了科學的美,明天或許還有創造力,但在明天過後我們將失去創新的能力。追求知識無用的另一面是明智的。」

     
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    糾結的網是由不同種的蜘蛛所織成的。這來自Arachnophilia,是一個由駐於柏林的藝術家托馬斯・薩拉塞諾(Tomás Saraceno)發起的跨學科研究專案,旨在研究蜘蛛網的結構及震動信號等。薩拉塞諾開發了一種能對蜘蛛網進行數位化處理的掃描儀,且可以記錄網線震動的聲音。(圖片來自Andrea Rossetti的攝影,2013。)

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    聲波懸浮的水滴在幾乎沒有應力的情況下旋轉時會共振、蒸發,並重新組裝。創作者伊芙琳娜・多明尼奇(Evelina Domnitch)和迪米崔・蓋爾芬德(Dmitry Gelfand)將《力場》(Force Field, 2016)描述為進入聲音的三維尺度、令人難以捉摸的水的物理性質,以及天體和亞原子的轉動力學。(由伊芙琳娜・多明尼奇和迪米崔・蓋爾芬德提供)
     


    藝術和科學都同樣重視經濟和認真投入,康乃爾大學(Cornell University)的諾貝爾化學獎得主羅德・霍夫曼(Roald Hoffmann)說:「這在詩詞裡是顯而易見的,簡明扼要的方程式或解釋才可以有最佳的交流。」但不同的地方在於情緒上的表達,他說。「藝術家、詩人、音樂家、舞者都善於情感上的交流。但科學基本上卻排除掉了情感,」他說:「那樣絕對是錯誤的。」他指出,科學講座往往比論文來得有趣,「這是因為在發表科學講座的過程中,能將故事與帶有情感的描述編織在一起。」科學可以從藝術中學習情感上交流。「我有興趣建立一個知性的交流平台。我們需要架起在人文與科學之間的橋樑。」


    譯者註解:
    《恐怖小店》(Little Shop of Horrors)是導演羅傑・科曼(Roger Corman)在1960年,僅花兩天就拍完的美國恐怖喜劇電影。1982年,《恐怖小店》被改編成音樂劇,由霍華・艾許曼(Howard Ashman)作詞,亞倫・麥肯(Alan Menken)作曲,在百老匯上受到大家的喜愛。1986年,導演法蘭克・歐茲(Frank Oz)根據音樂劇的版本改編成一部同名的電影。《恐怖小店》的故事是在敘述一個被老板嫌棄、暗戀對象也不喜歡他的花店員工西摩(Seymour),在某天得到一株以血肉維生的植物奧黛麗二世(Audrey II)之後,西摩的生命開始有了轉變:花店生意變好、開始受到老闆寵愛,暗戀的對象也願意跟他約會。但從此以後,西摩必須每晚去殺人來滿足奧黛麗二世的食慾,以維持好不容易到手的風光。



    作者:Toni Feder
    譯者:宋育徵


    本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, November 2021 雜誌內 (Physics Today 74, 4, 24 (2021); https://doi.org/10.1063/PT.3.4722)。原文作者:Toni Feder。中文編譯:宋育徴,國立中央大學物理系助理。


    Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Toni Feder, and are published on (Physics Today 74, 4, 24 (2021); https://doi.org/10.1063/PT.3.4722). The article in Mandarin is translated and edited by Y.C.Sung , working at the Department of Physics, National Central University.
















     
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