黎曼猜想太晦澀?我們來看一些好看又好懂的數學

2020-12-22 騰訊網

橋梁大會的目標是促進藝術,音樂,建築,教育和文化與數學的聯繫,得到新的研究成果和跨界樂趣。

9 月 24 日,89 歲的英國數學家、愛丁堡大學名譽教授麥可·阿蒂亞在德國海德堡做了一場演講,為時 45 分鐘,用 5 頁 PPT 向世人解釋他是如何證明黎曼猜想的,或者說他認為他找到了值得後輩們繼續走下去的證明路徑。

然而在聽完他的陳述後,此前翹首以盼的數學界同仁們一片喑啞,雖說極少有人願意站出來批評這位年事已高又聲名卓著的前輩,但在私下,他們紛紛認為,這個證明基本上是失敗的。

無論如何,阿蒂亞此次舉動又在公共層面掀起了一股數學熱潮,所有人於一夜之間,開始殫精竭慮要去搞懂 19 世紀的德國人伯恩哈德·黎曼猜了個啥想。猶記得,上一次這麼轟動,還是有人跑出來聲稱證明了彭加萊猜想,當然,後來也被證明是個烏龍。

說實話,儘管有多個媒體跑出來努力解釋,可是要讓普通人弄懂「黎曼 ζ(念做「澤塔」)函數的所有零點,或者說 ζ(s)=0 時,所有 s 的實部都是 1/2」到底講了些什麼,也是絕無可能的一件事。

攤手……

黎曼 ζ 函數漫畫,by xkcd

沒錯,數學高冷,可一旦和藝術嫁接起來,就會產生出意想不到的美感。這種美也會讓它的不可接近被消解掉。我們應該知道,有很多數學工作者都在做著讓公眾理解數學和愛上數學的努力,除了試圖去解釋費馬彭加萊黎曼的人,也有用畫筆、音樂和詩歌來做這件事的人。

每年 7、8 月份,來自世界各地的科學家、藝術家、教育家、音樂家、作家、計算機科學家、雕塑家、舞者、編織者、模型建設者……將匯聚在某個城市,參加名為「橋梁:數學與藝術、音樂和科學的連接」(Bridges: Mathematical Connections in Art, Music and Science)的一個盛會,或者說節日。

在這場展現數學之美的活動中,與會者要帶來自己的作品和論文,參加展示以及到公眾論壇中宣講,參加詩歌朗誦,參加各種研討,也有可能在此受到啟發,產生新的靈感和合作。

兩個月前,剛剛在瑞典斯德哥爾摩國家科學技術博物館結束的 2018 橋梁大會,就留下了將近 180 件美術/雕塑作品和 25 個藝術短片,極盡酷炫。

1998 年,來自美國陶森大學數學系的 Reza Sarhangi,秉持著促進藝術與數學之間聯繫的宏願,和他的夥伴們在堪薩斯州溫菲爾德的西南學院辦成了第一屆橋梁大會,此後就沒有中斷過。即便他本人於 2016 年因心臟搭橋手術後的併發症而不幸去世,同行和擁戴者們依然把這個活動一期一期延續了下去。

迄今為止,這個 B 格相當之高的大會在美國本土舉辦過八屆,在加拿大舉行過三屆,其他七屆在歐洲,入英國、芬蘭、匈牙利等,還有一屆是在亞洲韓國。他們甚至已經開始啟動 2019 年的作品徵集程序,明年 7 月 16-20 日,第 20 屆大會將於奧地利林茨市的約翰克卜勒大學和電子藝術中心舉行,如果你有興趣,也可帶著作品前往。

既然黎曼猜想我們是沒有辦法搞懂到底說了些什麼的,不如來看一下 2018 橋梁大會上,那些看得懂(至少看上去很好看)的數學吧。

2018 橋梁大會部分入選作品欣賞

8 種方式洗 64 張牌,60 x 90 釐米,數碼印刷,2018

挪威奧斯陸大學助理教授 Roger Antonsen

上圖是八種不同洗牌方式的可視化。水平點線代表每次洗牌時牌的特定順序,而豎直方向上的哪些曲線代表牌從開始到結束的路徑。在所有八種情況下,卡最終都恢復到了原始順序。從左到右,從上到下,洗牌方式為:

(1)六次外洗排(保持頂牌和底牌不動,否則就是內洗牌),分為兩堆。

(2)三次內洗牌,分為十六堆。

(3)四次洗牌,十六張牌每次從頂部切下。

(4)七次牛奶洗牌(即每次從頂和底各切一張放在最下面)。

(5)四次「計數和轉移」洗牌。

(6)十二次內洗牌,分為兩堆。

(7)六次內外洗牌交替,分為十六堆。

(8)十二次「取一張跳過一張」洗牌。

合併,35 x 28 釐米,數碼列印,2015

美國加利福尼亞州的拉文大學物理教授 David Chappell

這張圖是通過許多自動線條工具構建的。這些工具會在空間中受力,每個線條移動時將鋪設出一片「織物」,當兩個工具碰到了一起,路徑會發生纏繞,形成脫節的鋸齒形狀。這個模擬探索了視覺美學和數學算法之間的界限。

柏拉圖式預測,60 x 75 x 30 釐米,鋼絲/紙/亞克力球,2018

美國藝術家 Mircea Draghicescu

這個雕塑作品用簡單的結構使得多面體(四面體、立方體和八面體)緊緊圍繞著中間的亞克力球,保持其形狀的張力由對應於雙多面體的紙片來提供。

H-螺旋,100 x 100 x 10 釐米,鵝蛋殼/丙烯酸漆/木材,2018

荷蘭視覺藝術家 Hedy Hempe

這是一幅鵝蛋殼製成的空間拼貼畫,以螺旋結構排列,如果光源強弱和方向發生變化,拼貼畫的外觀也會發生變化。藝術家選用了蛋殼,是因為這種物質經常被用來隱喻生命起源及演化。

珍珠,24 x 20 x 20 釐米,塗層聚醯胺/鋼/大理石,2018

德國藝術家 Andreas Gro 和 Peter Hilgers

只使用風箏和飛鏢兩種形狀的彭羅斯平鋪,因其發現者、英國數學家羅傑·彭羅斯的名氣較大,在過去幾十年中得到了一些普及,熟悉的人已經比較多,但是大眾對於 3D 空間的非周期性平鋪還是知之甚少。

這個作品展現的 Danzer 平鋪,使用了 4 種類型的四面體。這種平鋪是德國數學家 Ludwig Danzer 發現的,他生前一直研究離散幾何學。

太妃糖機,60 x 58 x 43 釐米,木頭/吉他弦/繩鎖,2018

美國石溪大學數學系學生 Boris Kishinevsky

這幅叫做「太妃糖機」的作品,靈感來自於 1970 年代早期加州大學伯克利分校數學系的William ThurstonDennis Sullivan所做的壁畫。壁畫展示的是一條簡單曲線經反覆摺疊而編織成圖案。而「太妃糖機」中,曲線的前四次迭代產生了堆疊,並串在一起,形成一個三維結構。它的有意思在於,當繪製在一個三次穿孔的平面上時,四條曲線都是非同倫(一種拓撲學中的映射方式)的,不拉斷的話就沒有辦法將一條曲線「拉伸」到另一條曲線中。

相對反射,42 x 59 釐米,紙,2017紐卡斯爾大學 CARMA 優先研究中心博士生 Matthew P. Skerritt 作為使用投影算法計算平面曲線交點研究的副產品,這幅圖展現了Douglas-Rachford算法的兩種變體。第一個變體使用的是歐氏反射(白色),第二個變體使用的是施瓦爾茨反射(黑色)。

沙堆分型盤,60 x 60 釐米,數碼列印,2018美國蘭道爾夫-麥肯學院數學教授 Bruce Torrence

這個馬賽克圖像由四種顏色、相同尺寸的方形瓷磚構成,每面有 942 個瓷磚。以正方形網格開始,在半徑為 400 的圓盤內的所有頂點上都各放3粒沙子,再將 2 ^ 18 個附加顆粒放置在靠近圓盤中心的單個頂點上。然後系統開始如下「鬆弛」過程:如果一個頂點上有四個或更多個沙粒,則一個向北移動,一個向南移動,一個向東移動,一個向西移動。這被稱為「傾倒」。重複這種傾倒過程,直到每個頂點少於 4 個沙粒。通過計數將顏色分配給頂點:0 顆粒為淺藍色,1 為橙色,2 為黃色,3 為深藍色。

奇妙,18 x 18 x 18 釐米,紙,2017

波蘭/葡萄牙藝術家 Krystyna Burczyk

懷疑,18 x 18 x 18 釐米,紙,2017

波蘭/葡萄牙藝術家 Krystyna Burczyk

上面的兩張圖,是一個平滑的巴基球螺旋(上)和一個尖銳的扭稜立方體(下)。巴基球是從C60(即足球烯)上發現的立體結構,具有 60 個頂點和 32 個面,其中 12 個為正五邊形,20 個為正六邊形;而扭稜立方體指的是具有 38 個面的阿基米德立方體,具有 60 個邊和 24 個頂點,包含 6 個正方形和 32 個等邊三角形。

藝術家用這一類的形狀來製造出弧形、扭曲和纏繞,並用金屬質感的紙張來表達出強烈的對抗。

ABOUT.

科學藝術研究中心是一家非營利機構,以「跨界促生變革」為核心,致力於打造國內首家科學藝術家們的研究與創新平臺,來促進不同學科領域間的高度交叉融合。科學藝術研究中心集創作與傳播為一體,推動科學知識的大眾普及。

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