量子宇宙的艺术——时间，意识和混沌
随着科学技术的进步，越来越多以前不可见的事物被清晰地呈现在观者面前，我们对事物的既定认知也在不断地经历着确立、推翻到再确立的往复。正如保罗·托马斯教授指出的那样，这场可视化的进程到了今天已经进入了微观的量子层面并运用到了量子力学，这不仅仅是带来了视觉上的冲击，更是标志着一个充满不确定性的新时代的到来。
主讲人保罗·托马斯教授
讲座主持人 中央美术学院实验艺术学院副教授王郁洋
2019年10月10日晚，由中央美术学院视觉艺术高精尖创新中心、中央美术学院艺术与技术中心、中央美术学院美术馆、新时线媒体艺术中心联合主办，题为“量子宇宙的艺术——时间，意识和混沌”的讲座于央美美术馆学术报告厅开讲。新南威尔士大学艺术与设计学院教授保罗·托马斯（Paul Thomas）担任主讲人。讲座中，托马斯教授通过梳理人类的可视化进程，并结合自己的作品实证，向我们展示了物理界的“量子转向”现象在当代艺术等领域的跨界。
透纳，《雨，蒸汽和速度—西部大铁路》，1844，图来自网络
托马斯教授将不可见事物可视化的进程起点设置在19世纪英国。1831年英国物理学家法拉第首次发现了电磁感应现象，而于1852年他又引进了磁力线的概念，使得人们可以通过磁力线示意图直观地感知到不可见磁场的存在。艺术家透纳受法拉第科学实践的影响，以绘画的方式表现自然中类似作用力的存在。在透纳创作的作品《雨，蒸汽和速度——西部大铁路》中，火车在视觉上与背景中的烟云融为了一体，不再强调清晰的物体轮廓线，似乎预示着当时艺术的某种新动向。
这之后，世界各地相继涌现出一大批科学家与艺术家，延续着法拉第与透纳的努力。如摄影家艾廷内·朱理斯·马内（Etienne Jules Marey）、埃德沃德·迈布里奇（Eadweard J Muybridge），他们的艺术实践影响了后来立体主义和未来主义。其中马内通过连续摄影形成了图中物质轮廓完全融化的画面，从而使得抽象的时间清晰可见，类似的方式在杜尚的绘画作品《下楼梯的裸女》中也有体现。
马内摄影作品，1830 -1904
杜尚《走下楼梯的裸女》, 1912，图来自网络
托马斯教授援引了未来主义者波丘尼对边界的议论和哲学家伯格森对时间与空间的不可分割的强调，他认为不可见事物的可视化正是人对世界不断分割、探索边界的结果。例如X射线的发明使得人体内部的构造一览无余，阻挡我们看得更加清楚的边界不再是皮肤，而是骨骼，同时作为整体存在的“人”在视觉上也被分割成更细微的存在。
时至今天, 我们已进入了“量子时代”，源自英国的这场可视化运动也步入了更微观的量子层面。量子作为表现某物质或物理量特性的最小单元，具有不可分割性，在量子层面我们对物质的分割似乎已经触及了最后的边界。托马斯教授不禁发问：“分割到最后，人类迎来的会是虚空吗？”随后，他以自己的作品为例从实验的角度探讨了纳米级的物质边界，量子运动数据的可视化，以及量子现象与人类思维方面的联系等问题。
保罗·托马斯，《Midas》的交互界面，2006
实验中所使用的原子力显微镜(AFM)示意图
托马斯教授在谈及物质边界时提到了波丘尼的相关论述——当你坐在沙发上，沙发也穿透了你，并以自己的交互作品《Midas》在纳米级别对边界进行了深入探讨：当我们触碰一个对象，双方是否在量子的层面上有部分融合？这又是否会改变对象的属性？为了解答疑问，托马斯教授在创作这件作品时用到了原子力显微镜(AFM)，通过探针（约十个纳米，一百个原子的厚度）的触碰去监测样本的原子扰动，当探针检测到样本被触摸时，观者可以看到对应的图像点阵变成金色。为了证实样本的属性变化，他甚至请同事凯文（Kevin Raxworth）编制了一个算法，使得样本的每次触碰都会创建出一个纳米机器人环境，构建出不同的模式。无数次的交互后，样本也在逐渐被污染，金色边缘出现了蓝色。即在纳米级别，部分样本的属性的确在交互中被改变了。
交互中发生了变化的样本
保罗·托马斯与凯文，《Nanoessence》，2009
用AFM测试的结果对比
作为研究原子、分子等微观粒子运动规律、结构和性质的学科，量子力学已被绝大多数物理学家视作理解和描述自然的基本理论，这使得在新理论与技术的支持下人为创造生命、模拟自然的行为似乎可行。在作为其回应的作品《Nanoessence》中，托马斯教授从微观层面出发重新思考了如何理解生命的存在，原子是否是有生命，生命是否可以通过操控原子的方式去构建等问题。作品中，托马斯教授完整地录制了活细胞被扫描时震动发出的声音，尝试从生物学的角度探索细胞由生到死的过程中呈现的变化。图像的生成大概花了二十分钟，实验室里的数据最终以一种可视化的艺术语言展现了细胞死亡的过程。
宗教中有许多类似上帝造人等创造生命的故事，造物主呼了一口气，人便活了过来。教授指出了其中隐含的观念：生命是通过神呼气这种行为传输的而不是被培植的，这与我们在原子级别操纵或创造一个生命的行为恰恰是相悖的。所以该作品在隐喻的层面又回到了上帝造人的故事——即观众通过自己的呼吸、视觉和声音参与作品的交互，如此才能直观地感受生命的存在与传递。
保罗·托马斯与安德烈·莫雷洛，《量子意识》，2006
UNSW的量子计算机中心提供的有关影响原子的微波信号的数据，提取出概率数据以确定位置的近似值
有了量子力学的理论指导，旧有的经典理论所不及的微观系统在由托马斯教授与量子物理教授安德烈·莫雷洛（Andrew Morello）共同完成的作品《量子意识》中得到了部分的再阐释。莫雷洛教授的研究主要集中在量子计算机如何控制处理器发展中所需要的电子自旋与原子核上，而托马斯教授则是对理性客观的科学结果进行艺术化的阐释。他们合作进行了可视化再探索，使被微波信号轰击的磷电子的叠加旋转变得可见和可听。作品中托马斯教授将自己阅读物理学家费曼1982年的论文的声音转成了微波信号，以这种方式刺激电子的旋转。由于微观世界物质具有概率波等存在不确定性，所以图像只是量子级别的模拟过程，算是概率的集合体，声音进入后得到的是数种可能之一的唯一确定的结果。
《量子意识》可视化示意图，蓝色的线是托马斯教授的声音，绿色的线是电子自身的轨迹
与托马斯教授研究同步的物理学家马修·费舍尔（Matthew Fisher）在他2017年的论文中提出的“我们是量子计算机，还仅仅是聪明的机器人”这一问题，探讨了人类是潜在的量子计算机的新概念，这与托马斯教授的猜想不谋而合。“红色知更鸟大脑内的量子效应让它们可以感知到磁力线的方向，哪怕眼睛被蒙住也能找到迁徙的路径。同样地，在植物的光合作用中也能捕捉到量子现象的存在。既然量子现象在自然界中大量存在，人类自身可能也不例外。而量子现象的存在与生成与我们人类究竟有着怎样的关系？”托马斯教授提出了一个猜想：既然量子现象是无处不在的，我们的直觉可能也与量子隧道相关，只是我们还不知道量子现象在多大程度地主导我们的意识或直觉。
红色知更鸟脑中的量子效应示意图
光合作用中量子隧穿示意图
电子波向电子场（壁）前进，但具有一定的穿隧概率
如波丘尼所说，自然的轮廓线（边界）是混沌的、不清晰的，这正是媒体艺术作品《量子混沌》的真实写照。这件作品处于经典物理世界和量子世界可互相渗透的边缘空间，通过比较旋转陀螺和电子陀螺运动来探索二者的极限，并试图厘清经典物理学中的混沌状态是否可以量子世界中复制出来。
为了使观众能够更加直观地体验这种空间转换，托马斯教授的合作团队根据推测的量子数据开发了一种算法，能实时地将图像编织成量子混沌的视觉画面。矛盾的是，当经典与混沌分岔越来越小时就达到了海森堡的不确定性，因而给人一种到处都是混沌的感觉，托马斯教授表示这正是量子力学区别于经典物理学的特性。
保罗·托马斯，合作实验项目《量子混沌》——量子混沌猜测性可视化，2019
经典物理中的旋转陀螺示意图
托马斯教授介绍的作品及猜想大多建立在量子力学理论基础上，试图从微观层面去重新阐释宏观现象，追寻这场物理界的理论变革究竟在何种程度上重新构筑了我们的认知。讲座最后，托马斯教授没有急于给这个充满不确定性的新时代下定论，只是指出量子物理学带来的认知上的不确定的确使人类迎来了生存挑战，而如要把握其中潜在的美学价值则还需要我们进一步培养量子意识。
讲座现场
文丨余牧熙
编丨杨钟慧
现场图丨胡思辰
（除标注外，图片由主讲人提供）
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