爱因斯坦说过这么一句有趣的话:

如果我不是个物理学家,我可能会成为一个音乐家。”

我们一直认为爱因斯坦是个只会闷声搞广义相对论的科学家,其实他闲暇会玩儿小提琴与钢琴,偶尔还跟朋友组乐队玩band搞演出。

爱因斯坦在普林斯顿的家中演奏弦乐四重

爱因斯坦的母亲就是一位才华横溢的钢琴家,在母亲的影响下他6岁就开始拉小提琴。当他13岁接触了莫扎特的小提琴奏鸣曲后,便成了莫扎特的死忠粉,他说:

“莫扎特的音乐纯净到仿佛一直存在于宇宙中,等待着大师的发现。"

他把莫扎特看作是一位音乐物理学家,因为莫扎特的音乐就是用最简单的音符来演绎复杂的乐章。这导致他后来用最极简的思想孵化出了可以解释宇宙复杂性的伟大公式:

E=mc2(广义相对论被科学家们描述为有史以来最美丽的理论。)

爱因斯坦承认在思考科学时,经常直接从他作为音乐家的经验中提取图像和直觉,然后才将这些转换为逻辑、文字和数学的。他在关于数学的重要性中提出过这样一个观点:

“我们这个世界的图景可以由音乐的音符组成,也可由数学的公式组成。”

爱因斯坦喜欢用即兴演奏的方式去寻找灵感,并且用音乐的组织方式去打散、重组形成新的思想实验,这就是他寻求创新思维的秘诀。

而关于音乐跟数学之间联系的研究还可以追溯到2500年前的古希腊数学家与哲学家:毕达哥拉斯。他除了著名的勾股定理,在音乐上的研究也贡献良多。

毕达哥拉斯 Wellcome Library, London

他对音乐的发现缘于一次外出的散步,经过到一家铁匠铺发现传出的打铁声响特别好听,便去量了这个铁匠打铁所使用铁锤跟铁砧的大小,发现音响的和谐跟发音体体机的大小比例有关,后来他用一根琴弦做了一个实验。

毕达哥拉斯在琴的末端用砝码做实验

根据每根弦的粗细不同,再挂上不同的重物改变拉力,就可以让古琴发出不同的声音频率。

只要按比例去划分拨动这根琴弦,就能产生悦耳的音程(即两个音之前的音高关系),如1:2产生八度音,2:3产生五度音,3:4产生四度音等等。

于是毕达哥拉斯在世界上第一次发现了音乐和数学之间的联系,原来拨琴弦产生的声音跟琴弦的长度有着密切的关系。据此毕达哥拉斯得出一个结论:

每一种听起来和谐的声音都是基于一种简单的整数比造成的。

后来为了教学方便他还发明了一个叫Monochord(以萨摩斯的著名希腊哲学家命名)的单弦琴乐器。

图示为Monochord原型复制品
按比例去划分拨动琴弦产生不同的音程

推荐一个在家中就可以实践的水杯乐器实验,可用红酒杯或玻璃杯按比例装上对应容量的水,就可以通过敲打或摩擦杯口发出Do Re Mi Fa So La ...

水杯乐器实验水量配置比例图示

这个数学验证与音乐规律的发现让后世毕达格拉斯学派的成员相信,世间万物皆可用整数或整数的比去解释。毕达哥拉斯认为

“音乐之所以神圣而崇高,是因为它反映出了宇宙本质的数的关系。”

回顾下日常里我们听的那些古今中外的好音乐都是由1~7这7个音符组成的,这就是数之美。数学跟音乐及其他艺术一样有美的组合规律在里面,所以能唤起人们对美的艺术感受。

我们再来看看诗歌创作背后的组合关系,也跟数学有关,举一个科技圈的话题【AI写诗】,典型的例子就是微软开发的人工智能机器人网红微软小冰

微软小冰已从一个领先的人工智能对话机器人,发展成为以情感计算为核心的完整人工智能框架。

机智可爱的微软人工智能网红小妹小冰

微软小冰通过机器学习1920年代以来519位诗人的现代诗,在被训练了10000次后,小冰写的诗句从毫不通顺变成拥有了独特的风格、偏好和行文技巧

诗歌的机器人模式背后是一整套文句的组合算法
图为小冰的诗歌创作

经过人工智能的算法训练后的微软小冰,机器人也写出了这般文艺的诗句:

她飞进天空的树影

便迷失在人群里了

....

而人生是萍水相逢

在不提防的时候降临

诗歌这类仰仗诗人创作才情的内容竟然通过计算机不断改进组合的算法学习后,也能造出 “用一天经历一世的欢喜”这类文艺诗韵。

微软小冰还出了一本诗词叫《阳光失去了玻璃窗》。AI写诗背后实质就是数学算法的组合游戏。

《阳光失去了玻璃窗》

而在绘画、建筑、摄影中也蕴藏着永恒的美学数理法则,就是黄金分割比例的应用。

如摄影构图主体在画幅中的位置,具体到一幅画的静物摆放、建筑物廊柱的比例等,如果符合黄金比例的话就显得自然和谐,若改为1:1就显得呆板了。

另外在绘画的描摹中任何空间的物体都可以运用点线面体来显示数理的统一。

美学上的黄金分割比例

人体最曼妙的身材比例也离不开这个黄金分割比例的美学法则,当上半身与下半身(肚脐眼为界)比例与黄金比率相吻合,我们生理上就会自动判定:这妞身材真好。

模特身高的准则基本为1.618米,则上半身为0.618米,下半身为1米。这也就很好解释了为何街上的长腿美女是永恒的风景线。

85CM细腿超模三吉彩花

文学、戏剧、诗歌在创作中的起承转合也与数学黄金分割有关,尤其是“转”的妙用,可说是写作的关键所在,“转”在整个结构部位里接近黄金分割点,就会让你感觉故事有美好的起伏体验或者戏剧感。

数学以数字为基本符合来作排列组合,实现了对事物在量上的抽象,通过各种公式,展示出客观世界的内在规律。

而音乐、诗歌、绘画同样也是依据各自构成的基本符号去排列组合,通过对现实世界的抽象提炼,从而实现在美学规则里面形成对美的理想表达。

数学家莱布尼茨说过一句名言:音乐是数学在灵魂中无意识的运算。

这句话放在艺术创作中也可说成是:

艺术是数学在灵感中无意识的运算。

脑电波的可视化图景

我们的【脑回路】无时无刻都在

进行着无意识的运算,

灵感虚无缥缈,来时却又如惊涛骇浪,

至于要把它捏成什么【果】,

全然在你。

好奇使我进化

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戴礼帽的马猴

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