当科学家决定搞点“花里胡哨”的东西

Posted 2022-08-13 turingbooks

科学家，一群为理性代言的智者，一群以严谨著称的精英，一群时不时被大众调侃“土气呆萌”的直肠子。他们的工作常被认为是复杂而冰冷的，与美感和“脑洞”的关系不大。

的确，美和想象力不是科学的第一追求，但探索客观世界的旅程依然不能缺少它们。当科学家涉足“视觉传达”，拿出的作品甚至有可能为人文艺术领域注入新的灵感。

事实上，“可视化”在科学界有着重要的地位。科学的研究对象，也许庞大如星空，也许渺小如粒子，也许抽象到难以感知，也许看似简单直接，却隐藏着更深的关联。

突破人眼的极限，打破固有思维的边界，想方设法拓宽人类的视野，这些正是科学家要做到的。

因此，即便将逻辑和真相放在首位，科学图片也常常能展现出或奇异诡谲、或绚丽夺目的一面——

天空中的油画：星云

很多人第一次对天文产生兴趣，就是因为目睹了现代天文图片所记录的星云爆发。

然而，如果真的身处太空，我们亲眼看到的星云未必如此华丽，因为不少星云图都经过了上色处理。

当爆发的恒星向四周高速辐射能量的时候，不同波段的光共同出现，有的可见，有的不可见。设备所做的，更像是收集信息，科学家还要完成整理工作。为了将组成星云的不同部分清晰、明确、美观地呈现出来，人们会在必要时使用所谓的“伪色”。

我们看到的星云图有不少是科学和色彩艺术结合的作品。芝加哥大学的艺术史学家伊丽莎白·凯斯勒曾在现代天文图片中看到19世纪浪漫主义油画的影子。

比如，M16鹰状星云的图片就在色彩上同托马斯·莫兰的作品《位于怀俄明州的科罗拉多河上的悬崖峭壁》有着微妙的相似感。

事实上，这正是一副经过了处理的天文图片，图中的蓝色（来自氧元素）和绿色（来自氢元素）都是调整的结果。在处理之后，M16图片中的物质分布更加清晰，整体也更加美观。即便没有全然一致的原形，这张图片也极富科学价值。

粒子之舞：气泡室

无数线条在画布上交错、缠绕、分离，留下优美的痕迹。如果没人提醒，很多观赏者大概想不到这是一张科学图片。

这张图片来自气泡室，直线是不带电粒子运动的轨迹，螺旋线是带电粒子运动的轨迹。在科学家的安排下，肉眼不可见的粒子在气泡室中起舞，并且留下了用于研究的影像。

气泡室的前身是查尔斯·威尔逊发明的云室：通过温差在密闭容器里制造过饱和蒸汽，当带电粒子穿行其中，沿途产生的离子便会充当凝结核，在粒子所经之处留下一道雾珠的轨迹。从这些轨迹的长短和弯曲程度，科学家可以分析出粒子的性质。

到了1952年，唐纳德·格拉泽发明了功能更强的气泡室，内部应用高压状态的液态氢，闯入的粒子会沿途留下膨胀的气泡。和计算机技术结合之后，整个装置不仅能快速拍摄图片，还能输出三维记录。

在一段时间内，气泡室图片在物理界叱咤风云，成为研究多种粒子的重要工具。这些记载着粒子之舞的影像，也记录了人们探索世界本质的旅程。

看到第四维：超立方

众所周知，数学并不是只关心三维及以下维度。不过，由于人类自身的局限，我们很难像观察立方、平面和线条一样，直接观察带有更高维度特征的对象。如何以一种较为直白的方式呈现更高的维度曾经是一个大难题，直到数学界迎来了查尔斯·辛顿。

这位英国数学家想到，在二维的纸张上可以画出三维的立方体，既然如此，那么三位或二维图片也应该能够表现四维物体。受此启发，他发明了“四维超立方”，从普通图形延伸影子、投射和展开，代表第四维的存在。

这项成果意义非凡。因为太过神秘，在20世纪之前，高维度往往和与灵异现象相提并论。当人们可以直观感受更高维度的时候，迷信的氛围被打破，科学讨论回归了科学，辛顿也因此获得了认可。

与此同时，高纬度和超立方还在艺术界受到关注。萨尔瓦多·达利就曾联系数学家托马斯·班科夫，特意了解展开的超立方的几何性质。而他的作品《受难》中的十字架也成了最著名的四维超立方体展开。

博物学家的地图：洪堡的启示

作为人类标记和认识世界的工具，地图拥有悠久的历史。然而在19世纪前，人们并没有充分挖掘地图的潜能。在一般情况下，它更像一种出行人士必备的普通物件，无非是绘制了人们可能遇到的边界、山川、城市、建筑，等等。

到了19世纪，一些科学家开始将科研信息整合进地图，其中包括博学多才的亚历山大·冯·洪堡。他一生中有大量时间在外云游，了解不同地方的动植物和环境。当诸多博物学家将目光集中于一草一木的时候，洪堡把大量信息融入地图，让人们从中看到了生态。

从海拔到地区，从动植物分布到温度变化，洪堡为人们开启了珍贵的全局视角。我们所熟知的等温线、等压线就来自他的思考和标记。洪堡的图片不仅信息清楚，而且精致美观。这位传奇学者曾影响了一众科学家、思想家和艺术家。他所绘制的图片则是象征他成就的丰碑。

受到这些图片的启事，人们将目光投向全球季节温差及其影响。可以说，现代科学家对全球变暖的研究也是对洪堡事业的继承。

命运示意图：时空锥

20世纪，相对论的提出让人们开始重新看待时空。爱因斯坦的老师赫尔曼·闵可夫斯基甚至断言：“从此刻开始，空间和时间本身都应该退居幕后，只有二者的某种关联含有重大意义。”

既然如此，科学家是否可以将新的时空观较为直接地呈现出来？当然可以，于是时空锥出现了。

时空锥以平面代表空间，将第三条轴定义为时间。圆锥代表光的路径，将时空划分开来。能够与原点（此刻）有因果关联的事件处在椎体之内，这就是科幻迷们津津乐道的“光锥之内就是命运”。

这张看似简单的示意图包含了宇宙最重要的秘密之一。如果你就此推测不同观察者的经历，还有可能看到一些有趣的现象。比如，在你眼中同时发生的两件事，在别人眼中有可能存在先后顺序。

时空锥是如此简洁有力。无数人以它为起点，开始重新思考我们生活的宇宙。人类对时空的探索不会停止，时空锥蕴含的秘密也将吸引一代代年轻人进入物理学或科幻文学的大门。

写在最后

除了上面提到的这些，还有极限生长的科赫雪花、同大脑做游戏的视觉幻象图、为星系分类的哈勃音叉图、奇异诡谲的莫比乌斯环……

如果将科学探索历程中影响重大的图片收集起来，办一个画廊，它将成为世界上最值得一逛的景点。一张张科学图片连在一起，就是一部为生动的科学史，记录了人类探索世界的足迹，还有科学与人文艺术交融的瞬间。

这家了不起的画廊，就在这本书里——

 （点击图片即可购买）

作者：[英]约翰•D. 巴罗

译者：唐静 李盼

《科学的画廊：图片里的科学史》汇集了200余幅科学史上的经典图片，这些图片代表着科学发展史中一个又一个里程碑。从简单的图表到第一张世界地图，从手绘图、照片到计算机成像，本书回顾了天文学、数学、物理学、化学、生物学等领域的历史转折点，以图片讲解知识，展现人类科学思想发展史中的高光时刻。

这不仅是一本简单的科学图册，知名科普作家约翰·D. 巴罗凭借自己深厚的科学底蕴，以散文般优美而简洁的笔触，为一幅幅科学图片做了精彩的诠释与注解，展现了它们的深远意义和对科学发展的影响，讲述了一个个极具启发性的科学故事，为喜爱科学、历史、艺术和哲学的大众读者打开一幅别开生面的科学画卷。