〔讀城〕從波譜學看量子藝術

文/李后強

四川省社會科學院教授

當科學與藝術在量子層面相遇，波譜將成為解讀微觀世界美學的語言，量子藝術則揭示了自然美本質的數學奧秘。

量子藝術作為科學與藝術融合的新興領域，借助量子理論的概念和視覺元素，探索新的藝術表現形式。波譜學作為研究電磁輻射與物質相互作用的學科，為我們理解量子藝術提供了理論基礎。通過分析物質對電磁波的響應，波譜學揭示了微觀世界的量子規律，這些規律成為藝術家創作的新語言和新工具。

從波譜學視角看量子藝術，不僅能深化我們對自然美本質的理解，還能為美的數字化表達提供創新路徑，包括蒙特卡洛方法、4D打印技術和高維空間數學。

01 波譜學與量子世界的語言

波譜學是研究電磁輻射與物質相互作用的學科，以電磁波與物質共振相互作用為基礎，分析物質的結構和運動規律。波譜頻率范圍在10?～1011赫茲之間，對應微波波段。根據量子力學理論，原子、分子等微觀粒子可處于一系列分立的狀態，兩個態間的躍遷產生光譜線，形成波譜。波譜學中的核磁共振（NMR）、電子自旋共振（ESR）、拉曼光譜等技術，通過測量這些能級躍遷，獲取物質微觀結構信息。波譜是量子現象的直接體現。微觀粒子的能量狀態是量子化的，其能級躍遷遵循量子力學規律。例如，原子核外電子的躍遷產生紫外和可見光譜，原子核自旋能級的躍遷產生核磁共振譜。波譜學是連接宏觀世界與微觀量子世界的橋梁。通過波譜分析，我們可以“看見”量子世界的奇妙現象，如量子疊加、量子糾纏等，這些現象成為量子藝術創作的靈感源泉。我們指的波譜是波長從0到范圍。

02 波譜學與量子藝術的交匯

量子藝術是將量子科學概念與藝術創作融合的新領域。藝術家從量子疊加、量子糾纏、量子隧穿等概念中汲取靈感，創造具有量子特征的藝術作品。2015年，歐盟核能研究實驗室（CERN）邀請藝術家參與創作名為“量子”的大型藝術展覽，開創了量子藝術研究的先河。 近年來，中國藝術家也積極投身量子藝術創作，如法籍華人藝術家陸永安的《量子·山海》系列作品，融合東方水墨意境與西方抽象表現主義。波譜學為量子藝術提供了科學基礎和技術支持。波譜學揭示的量子現象成為藝術家的創作素材，而波譜分析技術如核磁共振、拉曼光譜等，也可直接用于藝術創作過程。自然美的本質是量子藝術。根據量子理論，自然美源于微觀粒子的量子規律，這些規律通過波譜學得以揭示。我們認為，藝術是一種能量，可以用頻率來表示。自然美的量子本質在于微觀粒子量子態的波動與共振，這種波動與共振通過波譜形式呈現，形成我們所感知的美。例如，花朵的顏色源于電子能級躍遷對特定光波的反射，其微觀結構（如分子排列、晶格振動）的波譜特征與宏觀美感形成映射。費曼曾強調，科學家與藝術家對美的認知雖不同，但自然美的數學規律（如對稱性、共振頻率）是共通的。量子藝術正是通過波譜學揭示的量子現象（如疊加態、糾纏態）重構美學表達。

03 從波譜到美的數字化展示

美的數字化是將美學元素和創作過程轉化為數字形式的過程。蒙特卡洛方法通過隨機抽樣模擬復雜系統，成為量子藝術數字化的核心工具。例如，利用隨機游走算法生成的分形圖案（如布朗運動軌跡），其概率分布與量子隨機性高度契合。該方法通過大量隨機路徑的疊加，直觀呈現波函數概率云的本質。蒙特卡洛方法是創造美的重要工具，它以概率統計理論為指導，通過隨機數解決計算問題。在量子藝術中，藝術家利用蒙特卡洛方法模擬量子隨機性，生成具有不確定性的數字藝術作品比如《哪吒2》。

三維雕塑與4D打印技術為量子藝術提供了新的表現形式。藝術家可以通過數字建模軟件創建量子概念的三維模型，然后使用4D打印技術將其轉化為物理實體。4D打印的特別之處在于，打印出的物體能夠隨時間推移發生形態、顏色、溫度等變化，這恰似量子世界的疊加態與坍縮過程。這種動態特性使得藝術作品能夠展現量子態隨時間的演化，為觀眾提供沉浸式的量子美學體驗。4D打印技術通過智能材料（如形狀記憶聚合物）將時間維度引入雕塑，使作品在環境中動態演化。比如，4D打印的鮮花在不同季節可以具有不同顏色、造型。數學家Henry Segerman利用球面投影將四維超立方體轉化為3D打印模型，例如“超立方體上的猴子”雕塑，通過幾何扭曲暗示高維空間的存在。這類作品不僅拓展了雕塑的維度，更使不可見的量子概念（如高維糾纏）具象化。

量子糾纏是量子力學中最神秘的現象之一，愛因斯坦稱之為“鬼魅般的遠距作用”。 2022年，中國科學家利用“墨子號”量子科學實驗衛星，首次實現了地球上相距1200公里兩個地面站之間的量子態遠程傳輸。

04從高維空間看量子糾纏的數學詮釋

理解量子糾纏需要借助高維空間數學概念，如莫比烏斯環和克萊因瓶等拓撲結構。這些結構能幫助我們理解量子糾纏的非定域性（與距離無關）。莫比烏斯環的單側曲面（只有一面，沒有里外之分）特性模擬了糾纏粒子的不可分性，例如在拓撲量子計算中，莫比烏斯帶用于描述任意子的編織規則。莫比烏斯環是從二維到三維的連續結構，作為一種單側曲面，象征著量子世界中的非定域關聯。克萊因瓶（兩個莫比烏斯環的嫁接）作為無定向的閉合曲面，通過四維空間嵌入消除自交，隱喻糾纏系統在更高維度的統一性（在低維是兩個、在高維是一個）。克萊因瓶是從三維到四維的連續結構，但我們三維空間的人無法看到四維空間的東西，因此克萊因瓶可以把地球上大海的水全部裝進去，這個結構幫助我們理解量子糾纏中相互關聯的特性。這些工具將抽象糾纏關系轉化為可視幾何結構，為量子藝術提供理論支撐。例如，TeamLab的交互裝置《無序中的和諧》利用克萊因瓶的拓撲邏輯，讓觀眾在光影流動中體驗量子關聯的連續性。

分形幾何（如曼德博集合，空間維數可以連續化，有分數維數比如1.38維、2.65維）通過迭代公式生成無限精細的結構，其自相似性對應量子多體系統的尺度不變性。現在發現，大自然演化幾乎都是分形結構。埃舍爾的作品（如《圓形極限》）早以藝術語言預言了分形與雙曲幾何的關聯，被譽為“量子藝術先驅”。他是最像數學家的藝術家，不少數學定理都是他先于數學家發現。埃舍爾的“不可能結構”作品（如《相對論》）通過視覺悖論模擬量子糾纏的非定域性，挑戰了經典時空觀。未來，結合量子計算的分形算法可實時生成動態分形，模擬量子場論的真空漲落。華遠在《科學性美學美本質論的創新34點》中指出，美本質是時空定位良性循環參照下整體性與簡潔性矛盾統一的信息中介。這一觀點與量子糾纏的高維空間解釋相呼應，美的本質在于高維時空信息的良性循環與動態平衡。

我們認為，量子思維比新技術應用更能凸顯藝術本質的“新”與“先鋒性”。在量子藝術中，藝術家通過高維數學工具表達量子糾纏的奇妙現象，挑戰傳統藝術的確定性觀念，探索作品的多重意義和可能性。

05 量子數字藝術的未來路徑

量子數字藝術作為新興領域，未來發展前景廣闊。隨著量子計算和人工智能技術的進步，量子數字藝術將創造更為沉浸式和互動性強的藝術體驗。未來，量子數字藝術可能在以下方向發展——

量子計算與藝術創作的深度融合。量子計算機的超高計算能力將使藝術家能夠模擬更為復雜的量子系統，創造出前所未有的藝術形式。量子計算+AI，量子生成對抗網絡（QGAN）可創作兼具隨機性與協調性的數字藝術，例如通過調控糾纏強度生成“量子繪畫”。

腦機接口與量子藝術的結合。通過腦機接口技術，觀眾的意識（如腦電波）可能直接與量子藝術作品互動（如通過意念控制虛擬粒子的疊加態），實現真正的“觀者參與創作”，將深化對“觀察者效應”的體驗

跨學科合作的加強。量子藝術家需要與科學家、工程師、哲學家等更緊密地合作，共同探索量子藝術的新邊界。

量子數字藝術將推動美學理論的革新。傳統美學理論基于確定性思維，而量子藝術引入不確定性、疊加態等概念，將挑戰并豐富現有美學理論體系。

量子數字藝術正在成為藝術創作的新前沿。國內外已有不少藝術家和機構投身這一領域。例如，TeamLab數字藝術團隊通過“身體運動粒子”與“光影反饋波”的動態耦合，將抽象的信息中介機制轉化為可感知的交互體驗。歐盟核能研究實驗室（CERN）持續推動藝術與科學的對話，通過藝術家駐場計劃促進量子藝術發展。量子藝術不僅拓展了藝術的表現邊界，也為我們理解自然美的本質提供了新的視角，成為連接科學與藝術的橋梁。量子藝術將推動美學理論從確定性向概率性轉型，量子糾纏的“整體性”挑戰了傳統美學的局部還原論，可能建立以關聯性為核心的新美學范式。隨著量子科技的進步，量子數字藝術將展現出更為廣闊的發展前景。通過數字化技術（蒙特卡洛法、4D打印）與高維數學工具（莫比烏斯環、克萊因瓶），量子藝術正開創一種兼具科學精確性與美學創造力的新范式。未來，隨著量子科技與人文藝術的深度融合，我們有望在糾纏的時空維度中重新定義美與真實，或許能夠通過量子虛擬現實設備，沉浸式地體驗量子糾纏的美妙過程，感受微觀世界的奇妙與神秘。

波譜學作為連接微觀量子與宏觀藝術的橋梁，揭示了自然美的本質是量子規律的涌現。波譜學為量子藝術提供科學基礎，量子藝術則通過美學形式展現量子世界的奇妙，促進科學知識的普及和理解。二者相互促進，共同推動人類文明的發展。