可视化如何推动了科学发展 | 诺奖得主Wilczek专栏

图片来源：DANIELHERTZBERG

从凯库勒到爱因斯坦到费曼，可视化曾带来很多重大科学突破。

　　 作者 Frank Wilczek（2004年诺贝尔物理学奖得主、麻省理工学院教授）

　　 翻译 梁丁当

　　我们常把人脑当做一个单一的器官，其实它是一个多种模式的复杂组合，会用不同方式处理不同信息。世界通过两个小小的虹膜在我们的视网膜上形成二维的图像。以某种方式，我们能毫不费力地从这些二维图像里实时地构建出丰富多样的物体。人类在这方面的能力依然远远超过最强大的计算机。人脑的其他部分则可以解析地处理更为抽象的符号信息，包括数学公式和逻辑结构（比如族谱、处方或计算机程序）。 可视化就是将这两个不同的系统－－图像和思考－－揉在一起的艺术，让它们发挥各自的长处讲同一种语言。

　　 历史上，可视化的创新极大推动了科学的进展。 让我们看看凯库勒(August Kekulé) 那令人难忘的故事。他是19世纪德国科学家和幻想家，理论化学的先驱者之一。

凯库勒在19世纪50年代发展了我们熟悉的分子的链式表示：用字母表示原子、直线表示化学键。1865年，他提出了苯的环状结构。把这些分子的抽象表示严肃地当作它们的几何模型，这是迈向现代有机化学的重要一步。凯库勒开创性的分子环预示了新的化合物和化学反应，并立即带来了重要的实际应用。

在德国化学协会庆祝苯环25周年的会议上，凯库勒回忆了他学术生涯中的这两个重大突破。他把二者都归功于不同寻常的意识状态。他说，他是坐在一辆伦敦公众马车(omnibus)上时想到了分子的链式表示。坐在车上的他做起了白日梦：“瞧，原子正在我眼前嬉戏！我经常看到两个原子组成一对……我看到大的原子组合形成一个链，在链的一端拖上小的原子组合。”

关于苯环，凯库勒回忆他当时在壁炉旁低头睡着了：“原子们又在我眼前嬉戏起来。这次，小的原子组合谦虚地躲在背景里。图像在不断重复，我意识的眼睛也越来越亮，最后我能清楚地分辨较大原子结构的形状变化：很多长条，有时靠得很近，像蛇一样相互缠绕扭动在一起。快看！那是什么？有一条蛇已经咬住了自己的尾巴，还在我眼前盘旋着嘲弄我。”

凯库勒的蛇梦已经成为科学、心理学和灵感之源的标志性故事。卡尔·荣格(Carl Jung)将它的神奇和奥罗波若蛇(Ouroboros)的原型联系起来。奥罗波若蛇在很多文化里都出现过，它会自食，象征着重生和回归。

科学上还有好几次重大突破都是来自于可视化。笛卡尔的解析几何就是一个很好的例子，它将方程和几何形状联系起来。通过它，代数可以弯曲，转圈，生动地呈现在我们眼前；反过来，图形可以变成人脑更易于思考的符号。

1908年，赫尔曼·闵科夫斯基（Hermann Minkowski）发表了“空间和时间”的演讲，展示了如果把时间当作第四个维度，那么爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论将可以用图像演示。从此，狭义相对论变得更加流行和易懂。在现代物理里，费曼发明了一种将基本物理过程视觉化的方法，这就是用途广泛的费曼图，一种重要的思维工具。费曼图将描述时空量子过程的数学用简单灵活的线条表示出来。这些可视化的突破都和蛇无关，荣格可能会对此有些失望。

今天，在量子理论的前沿，我们经常遇到高维空间或时空。现代的“大数据”收集依赖于多个变量，这其实也描述了高维空间里的某种结构。显然我们的大脑没有在进化中获得处理高维图像的能力。但为了面对这些巨大的不熟悉的复杂性，我们比任何时候都更需要视觉的力量，需要艺术和科学的更广泛结合。

本文经Wilczek教授授权翻译。

原文发表于2016年5月6日的华尔街日报，题目为How Visionaries in Visualization Moved Science Forward。

原文链接：

http://www.wsj.com/articles/how-visionaries-in-visualization-moved-science-forward-1462549112

　　 延伸阅读 ① 诺奖得主Wilczek专栏 | 青少年科学竞赛如何影响了美国科学

② 诺奖得主Wilczek专栏 | 即将到来的灵魂出窍技术

③ 诺奖得主Wilczek专栏 | 在思维中漫步会怎么样？

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