科學可視化:帶你發現科學背後的那些美

　　2018年05月11日 08:16 新浪科技



　　

　　出品 | 新浪科技《科學大家》

　　撰文 | 梁琰 「美麗科學」創始人 中國科學技術大學科技傳播系特任副研究員

　　談到化學，大家的第一反應恐怕是枯燥的公式和無盡的考試。當初為了記下這些複雜的反應式，大家肯定沒少下功夫。但接下來要講的化學，可能是有史以來，中國科學家製作的關於化學最酷的作品。

　　沉澱之美

　　先來看兩個相對簡單的化學反應方程式：

　　

　　學渣眼裡看到的是：一串字母+數字。學霸則表示：這不是簡單的沉澱反應嘛。而我卻要告訴你，這其實是一道極美的風景：顯微攝影鏡頭下的沉澱反應，如奔騰的瀑布一般，傾瀉而下！  

　　

　　硝酸銀和氯化鈉反應

　　

　　硝酸銀和鉻酸鉀反應

　　

　　這是中科大團隊和清華大學出版社在2014年做的一個  「美麗化學」項目，為了把化學的美麗展現出來，我拍了不同類型的化學影片，以及用電腦動畫展示了很多和化學結構、化學史相關的東西。在美麗化學網站，你可以清晰地看到一朵夏槿花在氫氧化鈉溶液中變色的全過程，也可以看到金屬銅如何將硝酸銀溶液中的金屬銀置換出來，變成一棵棵美麗的「銀樹」……這就是我的工作，用影像和動畫的方式告訴大家：化學，原來可以如此美麗。

　　

　　氯化鋇沉澱反應

　　

　　

　　放熱反應：鈉放入水中

　　

　　鋅置換銅

　　

　　鉀元素燃燒

　　2017年「美麗科學」和中國化學會合作一個「重現化學」的項目，在「重現化學」里拍了16個更加精美的化學反應影片。在這些影片中，製作團隊更注重音樂與整體藝術的搭配。

　　

　　結晶之美

　　

　　鉻酸鉀結晶

　　化學到底美不美呢？答案是肯定的，尤其是一些晶體。早期關於晶體內部結構的研究是1665年，羅伯特·胡克開展的。當時他用顯微鏡觀察了很多水晶的表面，發現表面的形狀都是非常規則，他猜測可能是因為內部微粒的規則排列導致的。此外，一位叫阿羽伊的法國科學家，通過把數學和晶體的微觀結構聯繫起來，用數學原理來解釋為什麼同一種物質會有不同形狀的晶體。

　　1883年，科學家已經知道了原子論，了解到物質是由看不見的原子構成的，但仍無法準確知道原子在晶體內部是如何排列的。

　　

　　當時猜測氯化鈉的晶體可能的排列方式（最右圖）

　　

　　現在我們通過X射線衍射的方式，知道氯化鈉晶體內部是非常規則、非常美麗的。圖中白色的表示的是氯離子，藍色的是鈉離子

　　

　　這是綠寶石的結構，晶體的內部結構如同外部的規則幾何形狀一般引人入勝

　　

　　紅寶石的結構

　　

　　水晶的結構

　　

　　另外，通過金屬置換反應，我們可以生產金屬晶體。我們拍攝了兩種反應，一種是鋅置換鉛的反應，另一類是銅置換銀的反應。因為銀是銀白色的，鉛則有點發黑，所以這部影片的名字就叫《黑與白》，位列2016年國家地理短片電影精選排名前十。

　　

　　美麗化學：黑與白

　　通過視頻，不難看出化學其實是一門很美的學科。所以當我們要背枯燥的方程式時，想想背後這些美麗的畫面，可能就不會討厭它了。現在人類在面臨非常多的問題：環境、能源、食品等，都和化學息息相關，未來我們需要更多的化學家，來解決這些特別棘手的問題。

　　自然界的藝術形態之美

　　其實不僅只討論化學，我們所說的是科學之美，包括很多學科，比如生命科學。生命科學研究各種各樣的千奇百怪的生命形態。

　　德國的一位科學家恩斯特·海克爾，出版過一部著名的作品，叫《自然界的藝術形態》，書中他用一百張精美的插畫展現生命的美麗的形態。

　　

　　各種各樣的水母

　　

　　鼓藻，單細胞的生命，呈現如此漂亮的形態

　　

　　放射蟲，一種單細胞生命，外殼是外骨骼，結構非常複雜，但是成份卻非常簡單，和沙子一樣都是二氧化硅

　　

神奇的水果放電實驗

　　

　　這樣的西紅柿大家見過沒？外面發光的其實是閃電。如何拍到這樣的畫面呢，我們通過一種叫基爾里安攝影術實驗便可完成。首先在一個玻璃器皿底部覆蓋一層食鹽水，將西紅柿的切面貼在容器底部，並將高壓發生器的兩端分別連接西紅柿和食鹽水，便會產生這樣的放電現象。

　　

　　不光西紅柿可以放電，我們團隊還「折磨」了很多其他的水果：橘子、蘋果，拍出的圖片都非常漂亮。

　　

　　

　　

　　高壓放電

　　認知層面的美

　　剛才展現的化學的美、生命形態的美、放電的美，這些美都是感官層面的，是一種感性的美。但科學的美不僅僅停留在感性層面，更多的是在理性的層面，曼徹斯特大學Brain Cox教授說過一句話：「The world is beautiful to look at but it』s even more beautiful to  understand」翻譯過來就是我們能感受到世界是很美的，世界有很多很美的景色，一旦我們能知道它運作的規律，我們能理解自然的話，我們會發現它更美。這種美便是一種理性的美，是一種認知層面的美。科學知識不但能幫助我們更深入地理解自然的美麗和偉大，還會引發我們提出更多問題，激勵我們在未知領域進行探索。

　　熱成像之美

　　只要是溫度不是絕對零度，物質都會發出紅外線，溫度越高發的紅外線越強，溫度越低的發的紅外線越弱。如果我們可以捕捉紅外線，就能轉化成物體表面的溫度信息。

　　接開水如果在紅外熱成像下是什麼樣的，假設我們的眼睛可以看到熱，大概是這個樣子。

　　

　　熱成像下的荷花

　　在熱成像的下可以看到荷花是很熱的，尤其是中間溫度可達32到34度。那麼它是如何把自己加熱的，為什麼要放熱？科學家認為通過此舉可以吸引到傳粉的昆蟲。

　　除此之外，美麗科學團隊還創辦了「嗨！元素」、「小學科學互動教學資源」、  「科學繪本」等欄目，通過提供更多優質內容，讓更多的小孩子在一開始認識科學的時候，就可以明白，科學是一件如此美麗的事情。

　　未來論壇是中國唯一的商學跨界的科學傳播公益平台，不僅是科學面向公眾的  「傳播人」、科學界和商業界的「對接人」、更是以民間資本激勵科學突破的「推動人」。在未來論壇主辦的理解未來講座上，新浪科技就「美麗化學」項目、「科學可視化」等問題對梁琰進行了專訪。

　　1：談到化學，大家的反應是繁重的課業和枯燥的公式和定律，但您的工作卻讓大家覺得：化學原來如此美麗。您對你的工作是如何定義的，或者有什麼介紹能讓大家一下子就記住您的工作？

　　梁琰：我認為科學是很美好的，我們的工作就是用最適合的方式，將科學中的物體、概念、數據、現象和過程等進行可視化呈現和藝術加工，最後把這種美好的東西展現給觀眾。我們特別想能讓大家知道，科學其實是非常酷的，希望我們的工作能夠激發大家對於科學的興趣，讓大眾覺得化學反應方程式原來可以這麼美。

　　2：您是如何走上「科學可視化」這條道路？在微觀拍攝過程中，有哪些讓您記憶猶新的事情？

　　梁琰：大學時我對漂亮的圖像以及動畫設計非常感興趣，就學了一些計算機圖形圖像軟體，加上我本身是做科學的，所以我一直在嘗試，能否把興趣和專業相結合。比較幸運的是，在我博士畢業后，遇到一個比較好的機會，加入了波士頓一家科學可視化公司， 回國后也繼續從事這方面工作了。

　　在微觀拍攝的時候，有點像進入到另外一個世界一樣，當物質放大到一定程度之後，很多景象是讓人想象不到的，我們在近距離拍攝的化學反應時，就很美妙，我們做的事情就是把它記錄下來。然後後期進行一些加工，比如加上音樂等，讓大家在觀看時有更好的體驗。發現一些沒有人見過的東西，做一些其他人沒有做過的事情，本身就有很大震撼力，希望有更多的人能看到我們的作品。

　　3：想要拍出比較好的「科學可視化」作品，應該需要具備哪些條件？或者說對於普通人，想要嘗試這種拍攝，是否可行？

　　梁琰：一方面對器材和技術有一些要求，需要一些特殊的設備，比如說顯微鏡、紅外熱成像相機等。另外一方面還得有科學背景，要明白自己要拍什麼，要怎麼拍，如何來準備樣品等。比如一個自然風光攝影師，他可能知道要在某個特定的時刻光可能是最漂亮的。同樣對於我們來說，我們需要知道，在什麼樣的條件下能夠拍出什麼樣的作品，所以需要你有一定科學的基礎。

　　普通人想嘗試的話，現在最好的一個方式，就是在手機上加一個鏡頭，把手機變成一個簡易「顯微鏡」，來進行拍攝。

　　

　　梁琰團隊製作的雜誌封面

　　4：國外是如何做「科學可視化」作品的？他們都有哪些手段，達到了什麼效果？與國外相比，我們的差距和發展空間是什麼？

　　梁琰：整體來講，這其實是一個比較小的行業。但國外對「科學可視化」作品需求量更大一些，他們有很多的科學紀錄片都需要特殊攝影。國外很多製藥公司對這方面也很重視，比如一些新葯出來后，他們會通過「科學可視化」手段來幫他們展示藥物在細胞內的作用機理。

　　我們國內現在正在發展這個行業，技術手段和國外差不多，只是國外需求量大一些，基礎比我們好一些。但是我國現在比較重視科普這方面。另外科研論文數量在不斷地增加，一些科技論文雜誌會邀請作者設計雜誌的封面，這也是一類對科學可視化作品的需求。隨著需求的增多，我相信以後國內的「科學可視化」會發展壯大起來的。

　　5：在藝術上，您的理念是什麼？如果大家遇到分歧、意見不合，您是如何怎麼統一不同意見？

　　梁琰：團隊主要是以科學為主，運作模式是大家提出問題，然後團隊一起來想辦法解決。通過做實驗、探索不同領域，最終目的是為了做出完美的作品。一旦團隊有不同意見時，我們非常民主，把大家召集一塊，每個人聊一聊自己的想法，互相補充，然後選出最好的方案，最終達成一致。

　　

　　「嗨！元素」欄目

　　6：我們現在是把一些化學反應做成了可視化的視頻，會不會考慮在其他學科也做一些東西？  

　　梁琰：我們前面出發點是化學反應，我們在美麗化學上能取得成功，一方面是沒有人做過類似的東西，第二點是在大家的潛意識裡，化學是無聊枯燥的，所以當看到一個完全不一樣的呈現方式時，傳播效果是很不錯的。

　　但我覺得團隊不能一直總去在做化學的東西，所以我們也在不斷地探索新的方向，科學本身也提供了不同的可能性，比如生命科學、物理科學等，都有各種各樣的不同的東西，每個學科都有不同的特點，另外我們也在做相關的拓展，創辦了「嗨！元素」、「小學科學互動教學資源」、  「科學繪本」等欄目，為大家提供更多的優質內容，將科學可視化之路進行到底。