为什么一个在实验室搬砖的人需要诗歌、音乐和绘画？
20世纪20年代初，尼尔斯·玻尔还在为物质的结构而困惑。以前的物理学家认为，原子的内部结构应该像一个微型的太阳系，原子核是太阳，电子像行星一样围绕原子核旋转。这是关于原子结构的经典理论。
但当时玻尔已经开始研究电子辐射，他认为只有新的模型才能解释他的发现。电子的活动似乎与经典理论格格不入。正如玻尔所说:“当涉及到原子层面时，只能用诗意的语言来表达。”普通的文字已经无法描述他的数据。
玻尔一直痴迷于立体派绘画。历史学家阿瑟·米勒(Arthur Miller)曾回忆说，玻尔的书房里摆满了抽象的静物画，他愿意向参观者解释他对这种艺术的理解。对玻尔来说，立体主义的魅力在于，它打碎了物质的确定性，向人们展示了包含在一切事物中的裂缝，把物质的物质性变成了超现实的模糊性。
玻尔非凡的洞察力在于他相信看不见的电子的世界其实是立体主义的。1923年，德布罗意已经证明了电子具有波粒二象性。但玻尔坚持认为，电子的形状取决于人类如何观察它们。也就是说，电子与想象中的“迷你行星”完全不同。它们更像是毕加索解构的吉他，一个用画笔勾勒出来的朦胧的东西，只有你盯着它看，它才能被赋予意义。
普通人很难想象抽象的艺术作品能影响科学史，立体主义艺术似乎与现代物理学无关。当我们思考科学过程时，一些特定的词总是浮现在脑海中，如客观性、实验、事实等等。科技论文中经常使用被动语态，让我们觉得科学所描述的世界是现实世界的完美镜像。然而，绘画可以非常深刻，但它们往往不描绘真实的东西。
上述观点把科学作为衡量一切的唯一尺度，其实是基于一个不言而喻的假设:艺术总是随着时尚潮流在循环，而科学知识是线性递增的。人们认为科学史的发展应该遵循一个简单的等式，即时间+数据=掌握知识。我们相信有一天科学可以解决一切。
但是科学的实际过程并不那么简单。我们对真理了解得越多，真理的悖论就变得越明显。正如小说家弗拉基米尔·纳博科夫所说，“科学做得越好，科学就越神秘。”
我们可以看看物理学的历史。物理学家不止一次认为，他们已经搞清楚了宇宙是怎么回事。他们一直认为宇宙的基本结构是清晰的，除了一些模糊的细节。然而，相对论的诞生一举粉碎了这种幼稚的幻想，从本质上改变了经典理论中的时空关系。然后，海森堡的测不准定律出现了，量子物理超现实地揭开了自己的面纱。弦论者开始试图调和从未如此不同的理论流派，也提出了11维理论。科学家仍然不了解暗物质。现代物理学家对宇宙了解了这么多，但他们不了解的东西还是太多了。最后，一些科学家公开表达了他们的自我怀疑:人类真的有能力理解宇宙吗？
大脑额叶中有一个被称为brod man 44区的地方，专门按照时间顺序预测口语、符号语言和音乐中的事件。当预测符合现实时，神经回路会得到奖励和强化；当预测与现实不符时，另一个被称为前扣带回的大脑区域被激活，接管处理突发事件。德沃夏克《第七交响曲》的尾声是对神经回路的微妙协调进行艺术探索的杰作，就像管弦乐一样。在这部伟大作品的结尾，观众已经习惯的音乐片段的顺序被巧妙地替换了，这让我们感到惊讶，也享受到了神经系统的奖赏。而下次听到类似的音乐，我们会从碎片化的记忆中提取这些感受。
我们再来看看神经科学。仅在几十年前，科学家们就提出了各种关于“架桥原理”的假说。“桥接原理”是解释神经活动如何创造“意识”的主观体验的神经事件。他们提出了不同种类的“桥”，从大脑皮层的40 Hz振荡到微管中的量子相干。这些据说是可以把大脑的“水”酿造成意识的“酒”的生物过程。
然而现在，再也没有人讨论这个所谓的“搭桥原则”了。虽然神经科学在大脑细节的研究上取得了很大的进步，发现我们只是一个由一些激酶和突触组成的奇怪回路，但这些进步让我们越来越难以忽视一个问题:我们无法体验细胞层面的生理细节。真理总是充满了讽刺:只有一种现实是科学无法分解的，那就是我们唯一知道的现实。
现代科学的瓶颈在于，我们无法统一一切，产生一种普适的理论。我们的未知并没有减少很多，但在很多情况下，它们增加了。最基础的科学笼罩在神秘之中。不是不知道答案，而是不知道问什么问题。
很多基础科学都遇到过这样的问题，比如物理学，神经科学。物理学家研究的是“现实”的基本结构，也就是定义我们物理世界的看不见的规律和粒子。神经科学家研究我们对世界的感知。为了研究人类，他们一层一层地解剖大脑。这两种科学问的是最古老、最宏大的谜团:万物是什么？我们到底是谁？
在我们解开谜团之前，科学必须摆脱现有的桎梏。我该怎么办？我的回答很简单:科学需要艺术，在论证的过程中，我们需要给艺术家留有一席之地，我们需要重新发现玻尔在立体派绘画中看到的东西。目前，科学的局限性清楚地表明，科学与艺术的分离不仅是一个会使鸡尾酒会上的聊天变得冷淡的学术问题，而且是一个会阻止科学的实用主义问题。想要得到终极问题的答案，就必须在科学和艺术之间架起一座桥梁，通过倾听艺术的智慧，科学可以获得更多的灵感，而这恰恰是科学进步的源泉。
我相信了解世界和观察世界有很多相似之处。人眼的视错觉程度是对人脑认知错觉程度最精妙的比喻。当你第一次看到埃舍尔的《相对论》时，你不会觉得有什么问题。但是当你仔细看的时候，你会突然意识到你看到的东西是不可能存在的。画的每一部分都是自洽的，但它们被拼凑成一个不可能的整体。埃舍尔的作品表明，我们的大脑可以出色地欺骗我们——也就是我们称之为“现实”的神经魔术表演。
自20世纪初首次亮相以来，神经科学就与大脑“密不可分”。科学家将我们的感知简化为一系列独立的神经回路。他们收集了“思考”大脑皮层的图像，计算了离子通道的形状，并将其分解到亚原子水平。
虽然我们收集了这么多关于“物质”的知识，但我们对这些“物质”创造了什么几乎一无所知。我们知道突触，但我们不了解自己。事实上，还原论的逻辑暗示，自我意识只是一种微妙的错觉，只是额叶皮层发出神经电信号时的附带反应。机器没有灵魂，只有机械振动。你的大脑包含了1000亿个带电细胞，但没有一个是你，对你一无所知。其实你并不存在。大脑只是物质的无限回归，可以归结为一堆冰冷的物理定律。
这种“还原法”的问题在于，它拒绝承认的恰恰是它应该解决的谜团。神经科学很擅长自下而上的拆解人的思维，但需要自上而下的方法来分析自我意识。就像小说家理查德？波尔斯说，“如果我们只通过突触认识世界，我们怎么认识突触呢？”神经科学的悖论在于，其惊人的进展恰恰暴露了其研究范式的局限性，即还原论无法解释意识的产生。人类的很多经历都无法用现有的神经科学方法来解释。
人类经验的世界是艺术的世界。小说家、画家和诗人所选择的例子不能被简化、剖析或用一个科学缩写的活动来表现。艺术家试图捕捉的是生活的原貌。正如弗吉尼亚·伍尔夫所说，小说家的任务是“观察一个平凡的日子里闪现的一个平凡的思想？(追溯)看似不相关、支离破碎的表象下的格局，是每一个画面或事件给意识留下的痕迹的格局。”她试图用内心的语言来描述意识。
神经科学尚未领会这种第一人称视角的好处。它采用的还原论方法不会把“我”放在观察的中心。它还在苦苦思考“感觉”的问题。像伍尔夫这样的艺术家研究了几个世纪的“涌现现象”，收集了很多关于意识之谜的知识。他们构建了人类意识的美好模型，将生活细节提炼为散文和故事，成功展现了人类经验的风格。这就是这些艺术家的作品经久不衰的原因——因为它们给人一种真实的感觉。这些作品之所以给人真实的感觉，是因为他们把握了某种程度的“真实”，而这正是还原论所缺乏的。
对我来说，这幅铅笔素描是证明科学和艺术相互呼应的绝佳例子。科学和艺术都力求以简单、经济的方式表现和表达一个物体的内在真实。我创造的方程式和图表并不比达芬奇描述的女人更现实。他的这幅画让我们知道画家可以摆脱画笔限制的境界。几笔一划，这仙女仿佛脱下纸，直视你的灵魂。为了把握宇宙的本质，我不能把我的方程式和现实混淆。自然的真理将从我的方程中升华，从数学中浮现，成为有血有肉的生命。
如果神经科学家仔细研究这些艺术创作，他们可以更好地理解他们想要分析的东西的整体特征。在你解构一个东西之前，你最好知道它是如何被整合的。从这个角度来说，艺术为科学提供了丰富的数据库，科学可以从中窥见自己的盲点。神经科学要想知道大脑皮层术语之外的东西——发现意识的神经联系，发现自我的起源，或者找到具有主观存在性的细胞，就必须对这些高级的心理事件有深刻的理解，而今天的科学方法无法突破这一限制。
神经科学需要新的方法，这些方法不是自下而上的，而是可以用复杂的方式来表示精神。有时候，从整体上理解整体更好。威廉·詹姆斯(美国哲学家和心理学家，美国心理学之父)首先又意识到了这一点。他在1890出版的巨著《心理学原理》的前八章中，描述了以第三人称视角进行研究的实验心理学家的心理学。但在第九章，他改笔用了“意识流”这个名字作为标题，还“告诫”读者:“我们现在开始从心灵内部研究心理学。”
詹姆斯试图通过这句简单得如同现代主义小说般极端的话，来改变心理学的研究主题。不管他的感知或突触，他不承认任何将精神分裂成基本单位的科学方法。他认为这些科学方法是还原论的，忽视了真实的现实。
但是，现代科学并没有沿着詹姆斯指引的道路走下去。《心理学原理》出版后，“新心理学”诞生了。这个严谨的学派不接受詹姆斯的模糊描述，而是想从心理学中去除一切无法测量的东西。例如，对经验的研究从实验室消失了。
但是艺术家们仍然用他们的方式来诠释复杂的意识。他们从不回避“体验”，因为它很难表达。他们一头扎进了意识的汪洋大海。在这方面，没有人比詹姆斯·乔伊斯做得更好。在《尤利西斯》中，乔伊斯试图把握意识的现在时态。小说不是通过作者的“上帝视角”来写的，而是通过那些人物“自己”的视角来写的。当布鲁姆、史蒂文和莫莉在思考美丽与死亡、床上的鸡蛋和数字八时，我们在默默地偷听他们内心的自白。用乔伊斯的话来说，这就是“思想的浓汤”，标点符号之前的头脑，写在纸上的意识流。尤利西斯可以说是接过了威廉·詹姆斯的衣钵。
同样，塞缪尔·泰勒·柯勒律治(英国诗人和评论家，英国浪漫主义文学的创始人之一)也痴迷于鸦片。在脑科学出现之前，他写过一首诗，关于“思维过程中心灵的自我体验”。还是视觉艺术，神经学家Cemir？赛奇曾写道:“艺术家(画家)在某种意义上是神经科学家。他们以自己独特的方式研究大脑。”莫奈的《干草堆》之所以吸引人，是因为他对色彩感知的独特理解。波洛克的滴画让我们唱歌，因为它们激活了视觉皮层中的一些特定回路。这些画家从相反的角度操纵大脑，他们找到了可以吸引眼睛的视觉规律。
当蒙德里安研究“关于形状的永恒真理”时，直线成了他的个人标签。他认为直线是所有形状的基本组成部分。多年后，生理学家发现了“方向选择性细胞”，这是一种对直线有选择性反应的细胞，被认为是形状感知的基石。当图像离偏好越来越远时，定向选择细胞的反应会越来越弱；当图像与优选方向正交时，细胞反应完全消失。
当然，科学对上述论点的标准反应是:艺术对于科学研究来说太混乱，太不准确；审美不代表真理，莫奈只是幸运；虚构就是虚构，这是实证主义的对立面。艺术如果不能画成散点图，不能压缩成变量，那就根本什么都不是。但混沌不正是人类精神的本质吗？我们的内心体验不就是充满了跳跃的、不合逻辑的、不可言说的感受吗？从这个角度来说，小说的复杂，绘画的抽象，就像一面镜子，可以照出我们自己。正如诗歌评论家兰德尔·杰里所说，“能象征我们的是艺术中的矛盾，而不是逻辑的、有组织的归纳。我们的世界和我们自己都充满了矛盾。”
任何关于精神的科学模型都是不完整的，除非它包括了精神中无法恢复的东西。当然，科学应该遵循严格的方法论，并依赖实验数据和可测试性，但科学也可以受益于额外的“输入”。艺术家具有艺术特征的假设可以启发重要的科学问题。如果科学不能从整体的角度研究大脑，科学理论就会与我们对自己的认知脱节。
神经科学自然认为它没有固有的局限性。总有一天，会有科学家能够解释人类意识的问题；架桥原理最终会解决；最终，人类会发现，经验的问题只不过是另一个物质问题——这样的科学乐观主义也许是对的，只有时间才能证明。这里需要指出的是，并不是所有的科学家都这么乐观。阿夫拉姆·诺姆·乔姆斯基曾说，“很可能有人会猜测，我们从小说中了解到的人类生活和人格，会比从科学心理学中了解到的更多。”无论如何，要解决大卫·查默斯所说的“意识最困难的问题”，我们需要一种新的科学方法，一种可以从艺术中汲取智慧的方法，一方面，我们可以创造梦一般的“东西”；另一方面，我们只是一个“东西”。如果分开看科学或艺术，两者都不能解决意识的问题，因为真理是多样的。
乍一看，物理和艺术的距离似乎特别遥远。物理理论是从晦涩的方程和超导对撞机的亚原子碎片中提取出来的。物理理论坚持认为我们对现实的直觉其实是错误的，是感觉的虚构。艺术家靠的是想象力，而现代物理学是超越想象力的。正如哈姆雷特所表达的，天底下的事是不可思议的。这样奇特的宇宙只能被发现，不能被想象。
但是物理学的超现实本质是艺术家可以帮忙的地方。科学确实发展到了人类无法理解的地步。正如理查德·费曼所说，“不像小说家，我们的想象力已经枯竭，别说想象不存在的东西，就连理解存在的东西都非常困难。”这是人类心理无法理解两位数维度的弦理论或平行宇宙可能性的赤裸裸的写照。我们的心灵在一个简单的世界里进化，物质是确定的，时间向前流动，世界只有三维。而当我们进入超越先天直觉的领域，隐喻就成了救世主。这就是现代物理学的讽刺之处:一方面是人类探索真理的最根本形式，另一方面，人类除了它们的数学表达式之外，无法理解这些基本原理。我们理解宇宙的唯一方法是类比。
因此，物理学的历史充满了隐喻性的飞跃。爱因斯坦在思考行驶中的火车时，对相对论有了顿悟。亚瑟·爱丁顿把宇宙的膨胀比作一个膨胀的气球。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦将磁场视为空间中的小漩涡，称之为“涡流”。BIGBANG就像宇宙中的鞭炮。薛定谔的困在宇宙“炼狱”里的猫，说明了量子力学的悖论。而且，没有软管似乎很难理解弦理论。
这些科学明喻看似过于简单，但其意义却非常深远。物理学家和小说家艾伦·莱特曼(Alan letterman)写道:“科学中的隐喻不仅具有教育功能，还能启发科学发现。做科研的时候，即使文字、方程式没有超出字面意义的引申意义，也不可能不做物理类比，不可能不在脑子里画图，不可能不去想象弹跳的球和摆动的钟摆。”隐喻的力量在于，它使科学家能够具体地想象抽象的概念，理解数学方程之外的含义。总之，我们认识的世界定义了我们思想的世界。
但盲目依赖隐喻也是有风险的，因为没有一个隐喻是完美的。正如托马斯·品钦(美国作家，以晦涩复杂的后现代小说闻名，曾多次获得诺贝尔文学奖提名)所说，“隐喻可以让你更接近真理或谎言，取决于你在哪里。”宇宙的弦可能像水管，但不是。宇宙不是气球。当我们把日常语言和理论联系在一起时，等式的纯粹性就被玷污了。类比思维就像走钢丝，叫正确。
人眼在水平方向上存在视距偏差。视觉系统利用这个来计算景深。当眼睛注视一个物体时，它的图像在每个视网膜上处于相同的位置。包含许多相似物体的视野将在双眼中留下相似的图像。这些图像有时两只眼睛都能正确匹配，所以人们会看到一幅平面图；有时候一只眼睛里的图像在另一只眼睛里是不匹配的，所以人们会看到不同景深的图片。我想印象派和后印象派的艺术家已经明白了这一点。他们说他们可以通过创造虚假的立体线索来吸引空气，这是一种操纵景深感知的方法。所以当你用眼睛而不是用眼睛看安格朗的画时，它们看起来是立体的。
这就是为什么现代物理学需要艺术，一旦我们认识到隐喻对科学的重要性，我们就可以思考如何让这些隐喻变得更好。诗人当然是隐喻的大师，他们的艺术力量在于充满意象的格律。模糊的感情被他们转化成恰当的形象。20世纪很多伟大的物理学家，比如爱因斯坦、费曼、玻尔等等，都以他们的浪漫主义思想而闻名，这不是巧合。这些著名的科学家用他们的隐喻技巧理解了别人无法理解的东西，于是铁路成了相对论的隐喻，水滴成了原子核的隐喻。诗人可以加快科学进程，帮助科学家更新隐喻。也许我们可以发明一个比软管更好的比喻。也许一个比喻可以解开暗物质的秘密。正如弦理论学家布莱恩·格林(Brian Green)所写的那样，艺术可以“震撼我们的感官，让它们明白什么是真实的”，这推动了科学想象力的进步。
但是艺术家们还有另一种方式来给宇宙对话带来新鲜元素——他们可以让科学隐喻变得有血有肉。如果一个抽象的方程可以变成真实的东西，物理学家可以从不同的角度探索数学的意义。以理查德·塞拉的雕塑为例。他的金属迷宫让我们亲身参与到物理理论中，让我们以一种新的方式去想象时空的优美曲线。立体主义中的破图形也起到了同样的作用，他们与当时的前沿物理学进行了卓有成效的对话。尽管毕加索无法理解非欧几何的方程，但他决定用自己的绘画来展示关于时间和空间的新思潮。一个世纪后，物理学家仍然引用他支离破碎的静物画来象征现代物理学。抽象艺术让我们对那些令人困惑的想法有了一些理解。
现在是时候让科学与艺术的对话成为科学方法的标准配置了。我们大学可以开设“物理学家的诗歌”这门课。然而，为了让我们更好地理解该理论的外延，也有必要让科学隐喻超越隐喻的局限性。美术馆里应该摆满能让人想起令人咋舌的弦理论和EPR佯谬(爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬，一种以佯谬形式对量子力学哥本哈根解释的重要早期批评)的作品。所有的理论物理系都应该雇一个驻校艺术家。对于普通人来说，现代物理学总是显得过于空灵和不切实际，它的假设似乎过于离奇而没有意义。艺术可以把物理带回我们感官所知的世界。
艺术家早就知道色彩和光影是两回事。景深(三维)感知、运动感知和空间组织都是由视觉系统中的子系统控制的。这三个系统都是“色盲”，只能看到黑、白、灰。它们是视觉系统中相对原始的部分。在没有明暗对比的情况下，人们无法区分景深或运动。人们之所以能看到毕加索悲剧的景深，是因为这幅画的色彩独特，明暗恰到好处。艺术家的反馈也有利于神经科学。小说家可以在作品中模拟关于意识的最新理论。如果一个理论不能让人物形象生动，那它就行不通。画家可以探索最新的视觉皮层理论。舞者可以帮助科学家找出身体和情感之间的联系。通过倾听艺术的智慧，科学和艺术之间可以进行对话，科学甚至可以成为艺术的一个分支，另一方面，通过艺术对科学理论和思想的阐释，科学可以从新的角度审视自己。
创造了“双重文化”这个耳熟能详的词的小说家查尔斯·珀西·斯诺，提出了一个简单的方法来解决科学与艺术之间的分歧，他认为我们需要一种“第三种文化”，可以打破科学家与艺术家之间的“交流障碍”。如果作家能知道热力学第二定律，科学家能读懂莎士比亚，那么双方都会从中受益。
现在有这样的第三种文化，但它与斯诺的想法不同。斯诺认为第三文化应该建立在科学与艺术的对话基础上，但实际上第三文化已经完全变成了科学家对公众的演讲。正如第三种文化的创始人约翰·布罗克曼所说，“传统意义上的科学已经成为大众文化。当然，摆脱媒体，直接向公众解读数据的科学家是值得称赞的。许多构成第三文化的科学家增加了大众对前沿科学的了解。从达尔文到格林，从史蒂文·平克(美国实验心理学家、认知科学家、科普作家。从许多科普书籍到艾德华·奥斯伯·威尔森，这些科学家不仅在科学研究方面做得很好，而且还写了漂亮的论文。他们给了我们很多启发。
但是科学和艺术如何合作呢？我们准备永远生活在这种文化断层中吗？要想统一人类的知识，首先要发起一场新的运动，这场运动必须超越科学和艺术的界限，把它们联系起来。这场运动(很可能是第四次文化)的前提是科学和艺术不能独立存在。这个运动的目标是培养一个正反馈循环，让科学和艺术不断相互促进。科学和艺术不应该互相排挤，互相忽视，或者选择性地关注对方，而应该互相产生实实在在的影响。这样，旧世界的智力差距就会消失；神经病学学会收获解决棘手意识问题的新工具；现代物理学可以优化它的隐喻系统。艺术将成为科学灵感的源泉。
这场运动可以让我们对真理有更广泛的理解。目前，科学被认为是真理的唯一来源。但那些不能用缩写和方程式表达的东西，却被鄙视，被视为华而不实的虚构和科学事实的对立面。
但是科学无法独自解决它提出的重大问题。将两者结合起来，我们可以通过实用性而不是来源来评估我们的知识。这部小说/实验/诗歌告诉我们关于我们自己的什么？它是如何让我们明白我们是谁，宇宙是由什么组成的？它处理什么样的问题？解决了吗？如果我们足够开明，我们可以发现，无论是诗歌还是绘画，都可以促进实验和理论的进步。艺术会让科学变得更好。
但在此之前，科学和艺术必须纠正一些陋习。首先，人文学科必须与科学真诚合作。亨利·詹姆斯(作家，哥哥是著名心理学家威廉·詹姆斯)曾把作家视为一个无所不包的人。艺术家必须遵循这个建议，不要忽视科学对现实的精彩描述。
同时，科学必须认识到它所描绘的现实并不是唯一的。任何一种知识都不可能是任意的。正如卡尔·波普尔所说，“我们必须抛弃知识有终极来源的观念。我们必须承认，所有的知识都有人类的特点，都掺杂着人类的错误、偏见、梦想和希望。我们能做的就是不断追求真相，哪怕真相遥不可及。”人类对科学真理的探索源远流长，但道路布满荆棘却从未停止。如果我们想得到终极问题的答案——我们是谁，一切是什么——科学和艺术都是必不可少的，而且是相辅相成的。