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小径分岔的量子波花园Comments>>

发表于 2018-09-10 07:07 | Tags 标签:, ,

哈佛大学物理教授 Eric Heller 有一个著名的父亲 Walter W. Heller,是约翰·肯尼迪总统的经济顾问委员会主席,设计了当时影响深远的减税政策。而他自己从小对数学和科学感兴趣,曾经想成为一个生化学家,但最终学了物理。

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他在哈佛读研究生期间,朱利安·施温格(Julian Schwinger)正好在物理系任教,所以Heller深受其影响。施温格是1965年诺奖得主,因在量子电动力学方面的基础性研究,和理查德·费因曼、朝永振一郎分享了那一届的物理奖。

有趣的是,毕业后Eric Heller先后在加州大学洛杉矶分校和华盛顿大学任教,居然都是担任化学教授,直到重返哈佛才回到了物理系,但这期间又曾出任化学系教授……这样窜来窜去真不知是要闹哪样。Heller因其依时性量子力学方面的研究而著称,他把自己的工作叫做“半经典近似”,简单而言,就是使用先前的经典力学理论来尝试理解量子力学。

随机球体(Random Sphere)。这张图呈现的是球体表面各个方向随机的波的总和,就如同海洋的波浪叠加、透视在地球这个圆球面上。

随机球体(Random Sphere)。这张图呈现的是球体表面各个方向随机的波的总和,就如同海洋的波浪叠加、透视在地球这个圆球面上。

“曲线救国”成为艺术家

但你别看这个人这么一会儿化学一会儿物理的进出游刃有余,上个世纪70年代末,他在洛斯·阿拉莫斯国家实验室工作那阵子,可是开过小差想脱离科学界的。

当时年轻气盛的Heller一心想做艺术家,甚至去到国家实验室也另有图谋,因为其所在地新墨西哥州有着独特而浓厚的艺术氛围,让他心往神驰,觉得有巨多可能性。然而在那边呆了一阵子之后,他发现,嗯,艺术圈不好混。

好在这期间,Heller有了新的启发,意识到科学和艺术是可以打通的,他在用计算机程序生成和处理科学实验中的图像时,发现了一种被自己叫做“伤疤”的现象,也就是使用艺术渲染进行数据处理后,能清楚地看到量子波中包含着经典运动轨迹的踪影。在这个方向上,他开始往下摸索,也就是说,可以不用放弃科学研究也同时搞艺术啦。

混合空腔(Mixed Chamber)。一列量子本征态的静止波在柠檬形“台球”空腔中弹跳,出现了和经典意义的粒子(以一定初始位置和速度出发)一样的运动图像,这张图片可以说是提供了经典物理和量子物理之间的视觉转换,上面每个空腔中波的频率都不同。

混合空腔(Mixed Chamber)。一列量子本征态的静止波在柠檬形“台球”空腔中弹跳,出现了和经典意义的粒子(以一定初始位置和速度出发)一样的运动图像,这张图片可以说是提供了经典物理和量子物理之间的视觉转换,上面每个空腔中波的频率都不同。

“印象派”物理学

到了1980年代中期,这批从量子世界跑出来的科学艺术作品就慢慢开始在业界崭露头角,Eric Heller那还很难被归类的创作,一度被人用波普艺术来作类比。不过,Harvey Blume显然要更懂他一点,在观看了一个他的展出之后,这位艺术评论家在《新英格兰艺术》(Art New England)上写道:“就像莫奈掉到了睡莲里头那样,Eric Heller掉到了亚原子世界。电子流、亚原子碰撞、量子泡沫的存在和虚无,这些都是他不变的关注点,是他艺术的干草堆和日落。”

如今,他的身份除了是斯隆学者、洪堡学者、美国物理学会会员和古根海姆学者之外,也是美国哲学学会和美国艺术与科学院的成员。他仍然很喜欢开一个玩笑,说,我这基于计算机算法的彩虹色的设计稿,有人认为不要太像水渍斑斑的大学寝室哦,还有人认为,它没法叫艺术。当然,上述都是他早期刚开始展出一些个人作品时受到的负面挖苦。

正因为如此苛刻的不理解,愈发激发了Eric Heller以认真的态度开创这条路的勇气。

这位科学艺术的先驱者,用自己的努力给更多年轻人扫除了障碍,才让人们看到了近些年来越来越多的科学艺术创作。顺带提一下,他的博士生Catherine Asaro是一位科幻小说作家,2001年星云奖最佳科幻小说得主。

Eric Heller作品一览

传送 3 Transport III

传送 3 Transport III

Heller早期所拍摄的一组电流图片,因为形态优美而最为著名,他本人也由此被媒体称为“用电流作画的人”。这系列整个被命名为“传送”,灵感来自哈佛大学Mark Topinka、Brian Leroy和Robert Westervelt教授的电流实验,而Eric Heller的研究团队进行了理论部分的工作。“传送3”是其中最为著名的一张,展现了一种叫做焦散的现象。光学上的焦散指的是当光线穿过一个透明物体时,由于对象表面不平整,使得光线折射不是平行发生而出现漫折射,比如我们平常看到的波光粼粼的水面就是一种焦散。

《传送3》中,电磁波因为焦散而产生了交叉和聚集,看上去就像美丽的水藻一般。2001-2003 年期间这张作品曾经在博物馆全美巡回展“接近混乱:来自量子边界的视觉”和SIGGRAPH世界巡回展览中被选用,被《哈佛》(Harvard)杂志、《计算机图形世界》(Computer Graphics World)、瑞典的《新技术》(Ny Teknik)杂志、《电气和电子工程师协会计算机图形与应用》(IEEE Computer Graphics and Applications)等媒体报道过。

传送 11 Transport XI

传送 11 Transport XI

在尺寸只有细菌大小,甚至细菌的百分之一大小的电气设备上,微小瑕疵会导致电子通过时出现散射。Heller他们发现,电子倾向于聚集并形成分支,在“传送”系列的很多图像中都可以看到这个现象,而这张图片的特点是,电子在非常小的初始角度范围内发射,就如同一条又细又窄的“茎”,很快分叉,呈扇形展开,这是它们进入混沌运动的开始阶段。

传送 13 Transport XIII

传送 13 Transport XIII

这张图可以说是两种混沌现象的叠加,左上是球体表面上的随机量子波,右下是在一定角度范围内发射形成的混沌电子路径。

榕树 Banyan

榕树 Banyan

榕树其实也属于“传送”系列中的一张,这是电流以微米级“二维电子气”(2DEG)形态穿过设备时所呈现出来的样子。由于周围有一些带正电的原子,所以带负电的电子的穿行路径会因为受到吸引出现一些平滑偏转。这张图片中,电子从左下方出发,并且被加了一个电压,导致它们向右上攀登的速度被减缓,最终折返向下。

焦散 4 Caustic IV

焦散 4 Caustic IV

这张图片是从高维投影到低维时出现的焦散——通过把一张透明彩色三维曲面板投影到一个平面上形成,它呈现出了焦散现象的几个重要特征:折叠、汇聚尖端和燕尾状分岔。

一次反弹 One Bounce

一次反弹 One Bounce

这张图片呈现的是一个量子电子波从高处经过一个引力场跌落到粗糙表面、并反弹回来达到原来高度的过程,下跌过程出现了加速,波长越来越短。

巴赫赞美诗(钢琴)Bach Chorale (piano)

巴赫赞美诗(钢琴)Bach Chorale (piano)

这是一个用钢琴演奏的巴赫赞美诗的超声波图,低频在左边,图中可以看出钢琴音符的衰减及曲目中的谐音结构,这也显示了巴赫音乐的某种数学般的精确性。

量子谐振器(三联幅)QuantumResonators (triptych)

量子谐振器(三联幅)QuantumResonators (triptych)

在这套三连拍图片中,量子波被障碍壁反射回来并发生衍射,形成两个谐振器,并发生干扰和变化。

怪波 Rogue

怪波 Rogue

怪波 Rogue

怪波 Rogue

海洋中的超级巨浪所形成的波被称作怪波,自 2004 年 9 月以来,Heller博士一直在研究海洋中的怪波,这张图片描绘了海洋深处的波在通过漩涡区域时速度的变化,可以看到波浪的能量向各个方向传播,上上下下,产生了复杂的分支模式。

旋转中的旋转器 2 Rotating rotators II

旋转中的旋转器 2 Rotating rotators II

把两个刚性杆的一端以枢轴连接在一起,可以形成一个最简单的旋转器,它可以像老式木匠的尺子一样绕着枢轴自由旋转,在理想状况下没有摩擦力。如果把这样的旋转器抛向空中,两个杆将会以有趣的方式相互绕转,而整个旋转器则在空中平稳地飞行,而一旦用三个或更多个杆来连接的话,就会出现一种无序混沌的旋转,这张图片显示了混沌旋转的频闪累积。

本文经授权转载自微信公众号“科学艺术研究中心”,转载请联系原账号。

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One Response to “小径分岔的量子波花园”

  1. 匿名说道:

    第一张图看起来象太阳。是相同原理吗?

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