清华学霸如何用3分钟把化学变成艺术 |美丽科学梁琰

出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛

导语：各种化学方程式、热现象对你来说太复杂吗？还记得当第一次用显微镜看世界内心发出的惊呼吗？让我们跟着主张“科学本身就很美丽！”的梁琰一起来看看科学带给我们不同以往的感官和思想世界吧！

---嘉宾介绍---

梁琰 美丽科学出品人 美丽化学主创

以下内容为梁琰演讲实录：

谢谢大家！今天我跟大家分享的一个话题是“科学美在哪里”？这个其实是比较难回答的一个问题。为什么呢？因为美是很主观的。不同的人可能会对美有不同的理解。另外一个原因是科学有很多很多的学科，对于不同的学科，很可能有不同的美。

今天就举两个我们现在正在做的项目的例子：一个是“化学的化学反应”还有一个是“物理的热现象”。然后我们来看一看是不是能从这两个我们在做的项目能引申出来科学美的一些答案。

我们先看化学。在2014年做过的一个项目叫“美丽化学”，现在我们在做它的续集。续集我们想了一个比较酷的名字：英文的名字叫EnvisioningChemistry；中文的名字叫“重现化学”。是“美丽化学”的续集。

那我们现在先看里边的一个片段，是沉淀反应。我先不说特别多，先把这个反应先看完，再看看这个反应背后的一些东西。

大家在刚才看这个视频的时候，是不是能看到一些小字？这些小字叫做化学方程式。那这个反应叫做“沉淀反应”。如果我不放这个视频单把这些化学方程式拿过来，你们肯定会觉得很枯燥，可能就不想再听我说了！但是没准看了这些视频之后，你们很可能觉得“噢？那这个东西到底是什么？”你可能会想听我说一说。能让你对化学产生兴趣、想了解这到底是什么。那我简单讲一讲：这个东西是沉淀反应──是两种可以在水溶液溶解的物质，遇到一起的时候会生成一种不溶的物质。比如说硝酸银是这个物质的名称，硝酸银姓硝，另外的一个叫氯化钠，其实就是我们吃的食盐。它们放在一起之后产生的不溶物质是什么呢？是“氯化银沉淀”。那化学家看到这个方程式比较复杂，

其实化学家也会做相应的简化，比如说：他可以把这个化学方式简化成离子方程式，而看到它反应本质、化学的实质──那是银离子跟氯离子反应，生成不溶的氯化银沉淀。

大家可能知道，这个化学反应其实是很美的！那我们有没有可能用化学反应，作为艺术创作的一个手段来进行创作呢？我觉得答案是肯定的。下边的这个视频，是我们美丽科学团队朱文婷拍摄的，她用的是显微镜来拍摄。朱文婷毕业于清华大学的美术学院，所以我们来看一看艺术家用化学反应进行创作的话是什么样子。

那么下边，我们看到的是一种化学反应。其实化学反应有非常非常多的种类，所以这里我又为大家再准备了一个叫做金属置换反应。金属置换反应我写了方程式，这里面只有两个反应：一个是金属锌在溶液中置换金属铅的反应；另外一个是金属铜置换金属银的反应。那我们来看看这个反应的特点。

这是银的生长。下面我们再看一看铅的生长：片子的名字叫《黑与白》，其实就是对比了黑色的铅和白色的银的生长。

我希望这三个短片放完了之后，你们能感受到其实化学是一个很美丽的一个学科──化学反应本身是很美丽的！所以再解答我们的问题“科学到底美丽在哪里呢？”有很多的学科本身是很美丽的，除了化学，很多其他的学科也一样。

我们再举一个例子，比如生命科学：生命科学各种各样的生命形态，包括我们用显微镜打开的一个微观的世界都是很美妙的。那大家看这两张图，来自一本书，书的名字叫《自然界的艺术形态》，它的作者是德国的科学家，也是一位艺术家，叫做恩施特·海克尔。这本书其实是在1900年左右出版的。在你的左边是海洋生命──各种各样的海洋生命，而且大部分是水母；右边是显微镜下单细胞的或者多细胞的藻类，非常美妙。在这个1900年左右，这些绘画深受当时的新艺术运动的影响，同时这些作品也影响了新艺术运动，很多家装的一些装饰，包括一些壁画都是用这种自然界的艺术形态、风格来绘制的。

还有一个──可能小朋友很喜欢的──是天文学。我们用望远镜观测到非常美妙、非常美丽、非常壮观的一些景观。给你很多的想象的空间：到底有没有外星人的存在？我们人类到底什么时候才能到另外一些星球上？

化学──包括很多科学本身──是很美丽的，它带给我们的是感官的（尤其是视觉层面的）这种美。其实科学还有另外一个层面，就是在我们的认知层面上，给我们带来的美。所以我们现在看另外的一个

我们正在做的项目，叫做“看得见的热”。大家知道热，是你能感受到，但你看不到。那我们怎么能看到热呢？我们就得先来讲一讲“电磁波辐射”：其实我们知道，我们所有看见的可见光，只是电磁波辐射的一个很小的一部分；其实有很多其他的电磁波，我们是看不到的，但是我们经常在用，比如说我们现在做通讯、我们的手机、我们的wifi……其实都是电磁波的一种。包括我们去医院看病，去做X射线也是一种电磁波。一种电磁波叫红外线，各种各样的我们周围的事物都在发射红外线，如果我们有一个相机，能够拍摄到这些红外线，那就可以把这个红外线转换成温度的信息。所以这样的话就是热成像的原理。

我们先看看：这是负责这个项目的、我们团队的一个成员叫胡升。那大家看到他举了一个气球，举了一个冰激凌，好像是要庆祝的样子。这是可见光的图像，我们都比较熟悉。

我们来看看，在红外热像仪下它应该是什么样子的？是这个样子的──我刚才说了，我们所有的物体都会发出红外线，热像仪可以把这些红外线采集到并且转化成温度的信息，所以我们可以做测量。

就这张图上的话，颜色其实是温度，所有的点的温度我们都可以测试到，包括胡升的额头大概是36度，没有发烧挺好的、他拿的这个冰激凌是零下11.1度，而且大家能看到这一张图像里面其实有很多很多其他的信息。但是我想强调两点：这个气球在可见光下是不透明的；在红外热像仪下它就是透明的，所以这个波段的红外线，是可以穿过这个气球的。但是眼镜在可见光下是透明的但是在红外线上却是不透明的，所以有很多很奇妙的现象。

我们再看一个生活中经常发生的事件──接开水在红外热像仪下是什么样子？

所以我觉得科学给了我们一双新的眼睛，我们可以用新的眼睛去感知这个世界。所以大家看到这张图片的话现在也能感觉到了：很亮的地方就是很热的；很蓝的、很黑的地方就是很冷的地方。所以大家看到水是很热的，像一个岩浆一样被浇下来。另外大家看到热传导的过程──杯子本来是凉的，慢慢热起来──这些在可见光下都是看不见的，但是我们在热像仪里面就可以看到。

所以我们不单是可以观测，其实我们可以设计实验。我们现在来问大家一个问题：这里有很多小朋友，如果我去摸一个纸板和一个铜片的话，哪个更凉一些？告诉我！铜片会更凉一些，是吧？为什么呢？为什么铜片会更凉一些呢？我们可以用热像仪来做一个实验，来做一个对比。那这个铜片跟纸板，两个物体的表面，对于红外线的反射不一样：铜片是反射红外线的，所以这样的话，我们的测量不会很准确，为了解决这个问题，我们把铜片跟纸板都贴上相同的胶布（黑色的、很薄的胶布），虽然说它不是材料真正的表面，但是其实也能证明，我们要做的这个实验的现象。好的，那我们来再看一看。这是我们经过处理之后，贴了胶布的铜片和贴了胶布的纸板，基本上都是同一个温度，不会受到反射的影响。

好的，那我们做这样的一个实验。我们把铜片和纸板放在桌上，然后我们用手去接触它，然后我们看会发生什么样的现象。大家注意观察──看到铜片是不是热起来了！然后你的手的温度也不同了，是吧？

好的，那我们根据这个实验，我们来看看我们的结论是什么：第一点确实你感觉铜片凉的，这是正确的，为什么？你打开手了之后发现手的温度确实降低了，什么原因呢？因为铜片是一个热的良导体，你手上的热很容易就传到了整个铜片，这个很大的整个表面上面，但是对于纸板来说它是一个热的不良导体，所以大家看到热聚集在你的手下方。但是回答这样的一个问题──铜片就真的是很凉吗？其实不一定。但铜片的大部分、大家看到的其实要比纸板热的，但只有在手下的这部分跟纸板来比的话，其实要比纸板要凉。但对我们人的感知来说，我们主要感知的是我们手下的这部分，所以确实铜片是很凉的。

除了这部分，我们再看看热的对流，我们可以把热水加到冷水的上边或者加在冷水的下边，我们看会什么样子。

这些东西，都是我们在可见光下看不见的。但是我们来看一看，如果你把热水加到上边的话，因为热胀冷缩的效应，热水会始终浮在上面分一个层，这样的话它不容易变成一个温度很均匀液体；但是如果你把它加到下面，一部分是因为我们的热对流的方向，自然的热对流方向是从下到上的，另外一部分是扰动了整个的液体，所以很快温度就均匀了。

所以除了我们看了热传导、我们看到热对流，在现实生活中的另外一个现象就是热辐射。我们其实也可以做相应的实验，比如这是一个节能灯和一个白炽灯，节能灯大家看到其实蛮亮的，白炽灯看起来也很亮，但是如果用热像仪我们再來看，比较一下这两个灯我们就发现其实白炽灯非常非常的热，我们如果做一个温度的测量，大家看到白炽灯的表面温度能达到200多度，但是灯丝的温度能超过两三千度。而且大家看到这边的这个节能灯，它的温度要远低于白炽灯：大家看到那个瓦数：节能灯的瓦数只有24瓦，而白炽灯有95瓦，所以白炽灯不是很节能──大部分的能量浪费在了我们看不见的红外线上、看不见的热辐射上──所以我觉得通过这几个例子，我们对世界有了新的认识。

大家觉得红外线的这些图像，真的要比化学的东西美吗？其实我觉得没有。从视觉上来讲，没有化学那么美，但是通过看这些图像，引发你的思考、让你提问题，让你去注意、去观测，你会学到新的知识，然后用新的视角来看待现在我们周围的世界。所以这是科学的另外的一种美。

我觉得没有谁比费曼的这句话概括的更好，我这里面给大家来解读一下这句话的背景：费曼的艺术家的朋友说“我艺术家的话看一朵花，我能看到这朵花的美，但是你一个科学家的话，你要把这个花拆开，其实你就看不到这个花的美了。”但费曼的回答是这样，他说“我可以欣赏一朵花的美，同时，我可以看到更多的我的艺术家朋友看不见的──我可以想象花朵的细胞中正在发生复杂的行为也是很美的……在进化过程中，花朵用颜色来吸引昆虫是很有意思的，这说明昆虫是可以看到颜色的。这就引出了一个问题：低等动物是否也有审美的能力？审美能力到底是干嘛用的？面对所有的这样的有趣的问题，科学知识仅仅的是增加了我们对一朵花的给我们的兴奋、神秘和敬畏。”

所以这个是我觉得科学的力量──它给我们對於认知层面，增加我们对美的感受。后边是很多从科研论文里面拿出来的图像，比如这个是酵母菌的剪接体（这是清华大学施一公团队检测出来的一个蛋白质的剪接体）是非常精密的由蛋白质和RNA组成的剪接体。当你理解了更多的生命科学的知识之后，你会发现、你会欣赏，原本看一个结构可能不是很美，但是后来你会觉得这是非常精美的一个剪接体。

化学家的话经过他的深入的学习，他会知道这样的两个纳米级别锁在一起的这样一个分子索烃的美丽；这是非常不容易合成的一个分子。对于物理学家，他会觉得牛顿的万有引力定律，这么简单的一个方程就直接告诉我们“所有的天体是怎么运转的？”包括在另外一个极端，在原子、分子层面上，薛定谔方程能够给我们任何的关于微观现象的解答。

所以“科学美在哪里？”我觉得有三个层面：第一个层面──科学本身就是美丽的。比如这些化学反应。第二个层面──科学会增加我们对世界的认识，让我们从崭新的视角来看世界、来欣赏这个世界。最后一个层面──其实就是很多的物理学家在做的，像爱因斯坦、像杨振宁、像李政道这样的物理学家──在经过多年的研究，发现深层次的自然运作规律是很美的。我觉得是终极的一种美丽。

好的，谢谢大家！这些作品都来自我们的美丽科学──一个针对于孩子们的科学教育品牌──我们希望让更多的孩子发现科学之美，谢谢大家！

“SELF格致论道”是中国科学院全力推出、中国科普博览承办的科学讲坛，致力于精英思想的跨界传播，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办。登陆“SELF格致论道”官方网站、关注微信公众号“SELF格致论道讲坛”、微博“SELF格致论道”获取更多信息。更多合作与SELF工作组self@cnic.cn联系。