科学可视化:带你发现科学背后的那些美

科学可视化:带你发现科学背后的那些美
2018年05月11日 08:16 新浪科技

  出品 | 新浪科技《科学大家》

  撰文 | 梁琰 “美丽科学”创始人 中国科学技术大学科技传播系特任副研究员

  谈到化学,大家的第一反应恐怕是枯燥的公式和无尽的考试。当初为了记下这些复杂的反应式,大家肯定没少下功夫。但接下来要讲的化学,可能是有史以来,中国科学家制作的关于化学最酷的作品。

  沉淀之美

  先来看两个相对简单的化学反应方程式:

  学渣眼里看到的是:一串字母+数字。学霸则表示:这不是简单的沉淀反应嘛。而我却要告诉你,这其实是一道极美的风景:显微摄影镜头下的沉淀反应,如奔腾的瀑布一般,倾泻而下!  

硝酸银和氯化钠反应硝酸银和氯化钠反应
硝酸银和铬酸钾反应硝酸银和铬酸钾反应

  这是中科大团队和清华大学出版社在2014年做的一个  “美丽化学”项目,为了把化学的美丽展现出来,我拍了不同类型的化学影片,以及用电脑动画展示了很多和化学结构、化学史相关的东西。在美丽化学网站,你可以清晰地看到一朵夏槿花在氢氧化钠溶液中变色的全过程,也可以看到金属铜如何将硝酸银溶液中的金属银置换出来,变成一棵棵美丽的“银树”……这就是我的工作,用影像和动画的方式告诉大家:化学,原来可以如此美丽。

氯化钡沉淀反应氯化钡沉淀反应
放热反应:钠放入水中放热反应:钠放入水中
锌置换铜锌置换铜
钾元素燃烧钾元素燃烧

  2017年“美丽科学”和中国化学会合作一个“重现化学”的项目,在“重现化学”里拍了16个更加精美的化学反应影片。在这些影片中,制作团队更注重音乐与整体艺术的搭配。

结晶之美结晶之美
铬酸钾结晶铬酸钾结晶

  化学到底美不美呢?答案是肯定的,尤其是一些晶体。早期关于晶体内部结构的研究是1665年,罗伯特·胡克开展的。当时他用显微镜观察了很多水晶的表面,发现表面的形状都是非常规则,他猜测可能是因为内部微粒的规则排列导致的。此外,一位叫阿羽伊的法国科学家,通过把数学和晶体的微观结构联系起来,用数学原理来解释为什么同一种物质会有不同形状的晶体。

  1883年,科学家已经知道了原子论,了解到物质是由看不见的原子构成的,但仍无法准确知道原子在晶体内部是如何排列的。

当时猜测氯化钠的晶体可能的排列方式(最右图)当时猜测氯化钠的晶体可能的排列方式(最右图)
现在我们通过X射线衍射的方式,知道氯化钠晶体内部是非常规则、非常美丽的。图中白色的表示的是氯离子,蓝色的是钠离子现在我们通过X射线衍射的方式,知道氯化钠晶体内部是非常规则、非常美丽的。图中白色的表示的是氯离子,蓝色的是钠离子
这是绿宝石的结构,晶体的内部结构如同外部的规则几何形状一般引人入胜这是绿宝石的结构,晶体的内部结构如同外部的规则几何形状一般引人入胜
红宝石的结构红宝石的结构
水晶的结构水晶的结构

  另外,通过金属置换反应,我们可以生产金属晶体。我们拍摄了两种反应,一种是锌置换铅的反应,另一类是铜置换银的反应。因为银是银白色的,铅则有点发黑,所以这部影片的名字就叫《黑与白》,位列2016年国家地理短片电影精选排名前十。

  通过视频,不难看出化学其实是一门很美的学科。所以当我们要背枯燥的方程式时,想想背后这些美丽的画面,可能就不会讨厌它了。现在人类在面临非常多的问题:环境、能源、食品等,都和化学息息相关,未来我们需要更多的化学家,来解决这些特别棘手的问题。

  自然界的艺术形态之美

  其实不仅只讨论化学,我们所说的是科学之美,包括很多学科,比如生命科学。生命科学研究各种各样的千奇百怪的生命形态。

  德国的一位科学家恩斯特·海克尔,出版过一部著名的作品,叫《自然界的艺术形态》,书中他用一百张精美的插画展现生命的美丽的形态。

各种各样的水母各种各样的水母
鼓藻,单细胞的生命,呈现如此漂亮的形态鼓藻,单细胞的生命,呈现如此漂亮的形态

  放射虫,一种单细胞生命,外壳是外骨骼,结构非常复杂,但是成份却非常简单,和沙子一样都是二氧化硅

  神奇的水果放电实验

  这样的西红柿大家见过没?外面发光的其实是闪电。如何拍到这样的画面呢,我们通过一种叫基尔里安摄影术实验便可完成。首先在一个玻璃器皿底部覆盖一层食盐水,将西红柿的切面贴在容器底部,并将高压发生器的两端分别连接西红柿和食盐水,便会产生这样的放电现象。

  不光西红柿可以放电,我们团队还“折磨”了很多其他的水果:橘子、苹果,拍出的图片都非常漂亮。

高压放电高压放电

  认知层面的美

  刚才展现的化学的美、生命形态的美、放电的美,这些美都是感官层面的,是一种感性的美。但科学的美不仅仅停留在感性层面,更多的是在理性的层面,曼彻斯特大学Brain Cox教授说过一句话:“The world is beautiful to look at but it’s even more beautiful to  understand”翻译过来就是我们能感受到世界是很美的,世界有很多很美的景色,一旦我们能知道它运作的规律,我们能理解自然的话,我们会发现它更美。这种美便是一种理性的美,是一种认知层面的美。科学知识不但能帮助我们更深入地理解自然的美丽和伟大,还会引发我们提出更多问题,激励我们在未知领域进行探索。

  热成像之美

  只要是温度不是绝对零度,物质都会发出红外线,温度越高发的红外线越强,温度越低的发的红外线越弱。如果我们可以捕捉红外线,就能转化成物体表面的温度信息。

  接开水如果在红外热成像下是什么样的,假设我们的眼睛可以看到热,大概是这个样子。

热成像下的荷花热成像下的荷花

  在热成像的下可以看到荷花是很热的,尤其是中间温度可达32到34度。那么它是如何把自己加热的,为什么要放热?科学家认为通过此举可以吸引到传粉的昆虫。

  除此之外,美丽科学团队还创办了“嗨!元素”、“小学科学互动教学资源”、  “科学绘本”等栏目,通过提供更多优质内容,让更多的小孩子在一开始认识科学的时候,就可以明白,科学是一件如此美丽的事情。

  未来论坛是中国唯一的商学跨界的科学传播公益平台,不仅是科学面向公众的  “传播人”、科学界和商业界的“对接人”、更是以民间资本激励科学突破的“推动人”。在未来论坛主办的理解未来讲座上,新浪科技就“美丽化学”项目、“科学可视化”等问题对梁琰进行了专访。

  1:谈到化学,大家的反应是繁重的课业和枯燥的公式和定律,但您的工作却让大家觉得:化学原来如此美丽。您对你的工作是如何定义的,或者有什么介绍能让大家一下子就记住您的工作?

  梁琰:我认为科学是很美好的,我们的工作就是用最适合的方式,将科学中的物体、概念、数据、现象和过程等进行可视化呈现和艺术加工,最后把这种美好的东西展现给观众。我们特别想能让大家知道,科学其实是非常酷的,希望我们的工作能够激发大家对于科学的兴趣,让大众觉得化学反应方程式原来可以这么美。

  2:您是如何走上“科学可视化”这条道路?在微观拍摄过程中,有哪些让您记忆犹新的事情?

  梁琰:大学时我对漂亮的图像以及动画设计非常感兴趣,就学了一些计算机图形图像软件,加上我本身是做科学的,所以我一直在尝试,能否把兴趣和专业相结合。比较幸运的是,在我博士毕业后,遇到一个比较好的机会,加入了波士顿一家科学可视化公司, 回国后也继续从事这方面工作了。

  在微观拍摄的时候,有点像进入到另外一个世界一样,当物质放大到一定程度之后,很多景象是让人想象不到的,我们在近距离拍摄的化学反应时,就很美妙,我们做的事情就是把它记录下来。然后后期进行一些加工,比如加上音乐等,让大家在观看时有更好的体验。发现一些没有人见过的东西,做一些其他人没有做过的事情,本身就有很大震撼力,希望有更多的人能看到我们的作品。

  3:想要拍出比较好的“科学可视化”作品,应该需要具备哪些条件?或者说对于普通人,想要尝试这种拍摄,是否可行?

  梁琰:一方面对器材和技术有一些要求,需要一些特殊的设备,比如说显微镜、红外热成像相机等。另外一方面还得有科学背景,要明白自己要拍什么,要怎么拍,如何来准备样品等。比如一个自然风光摄影师,他可能知道要在某个特定的时刻光可能是最漂亮的。同样对于我们来说,我们需要知道,在什么样的条件下能够拍出什么样的作品,所以需要你有一定科学的基础。

  普通人想尝试的话,现在最好的一个方式,就是在手机上加一个镜头,把手机变成一个简易“显微镜”,来进行拍摄。

梁琰团队制作的杂志封面梁琰团队制作的杂志封面

  4:国外是如何做“科学可视化”作品的?他们都有哪些手段,达到了什么效果?与国外相比,我们的差距和发展空间是什么?

  梁琰:整体来讲,这其实是一个比较小的行业。但国外对“科学可视化”作品需求量更大一些,他们有很多的科学纪录片都需要特殊摄影。国外很多制药公司对这方面也很重视,比如一些新药出来后,他们会通过“科学可视化”手段来帮他们展示药物在细胞内的作用机理。

  我们国内现在正在发展这个行业,技术手段和国外差不多,只是国外需求量大一些,基础比我们好一些。但是我国现在比较重视科普这方面。另外科研论文数量在不断地增加,一些科技论文杂志会邀请作者设计杂志的封面,这也是一类对科学可视化作品的需求。随着需求的增多,我相信以后国内的“科学可视化”会发展壮大起来的。

  5:在艺术上,您的理念是什么?如果大家遇到分歧、意见不合,您是如何怎么统一不同意见?

  梁琰:团队主要是以科学为主,运作模式是大家提出问题,然后团队一起来想办法解决。通过做实验、探索不同领域,最终目的是为了做出完美的作品。一旦团队有不同意见时,我们非常民主,把大家召集一块,每个人聊一聊自己的想法,互相补充,然后选出最好的方案,最终达成一致。

“嗨!元素”栏目“嗨!元素”栏目

  6:我们现在是把一些化学反应做成了可视化的视频,会不会考虑在其他学科也做一些东西?  

  梁琰:我们前面出发点是化学反应,我们在美丽化学上能取得成功,一方面是没有人做过类似的东西,第二点是在大家的潜意识里,化学是无聊枯燥的,所以当看到一个完全不一样的呈现方式时,传播效果是很不错的。

  但我觉得团队不能一直总去在做化学的东西,所以我们也在不断地探索新的方向,科学本身也提供了不同的可能性,比如生命科学、物理科学等,都有各种各样的不同的东西,每个学科都有不同的特点,另外我们也在做相关的拓展,创办了“嗨!元素”、“小学科学互动教学资源”、  “科学绘本”等栏目,为大家提供更多的优质内容,将科学可视化之路进行到底。

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