西元 2020 年 10 月 17 日,潘洛斯 (Roger Penrose, born 1931) 獲頒 2020 諾貝爾物理獎, 許多數學界朋友與他同喜,因為他在理論物理領域的工作,非常靠近數學。 我個人曾經四次「遇到」潘洛斯,依序是
艾雪(M. C. Escher,1898—1972)是一位馳名國際的荷蘭版畫家, 他的創作類型之一是「不可能的圖像」(Image Impossible)。
畫家都嫻熟透視邏輯,但很少人像艾雪這樣精妙地反向使用透視邏輯, 利用它來引發錯覺,並同時創造藝術的品味。 《相對論》(Relativity,1953)這幅畫裡展示的三度空間, 有三個互相垂直的方向(或者三種互相垂直的平面), 每一個方向有自己的地心引力,就好像三個世界的人生活在同一個空間裡。 例如,在版畫的中央,一個人從地窖走出來,他左邊的牆,是坐著的人的地板, 而他右腳踏上去的地板,是右邊正在下樓那人的牆壁。艾 雪利用黑白對比產生凹凸兩可的效果,使得兩個不同世界的人能共用一道樓梯。 這幅畫或許是畫家心目中的相對論詮釋,筆者倒覺得他詮釋的是我們的民俗信仰: 同一個空間裡居住了三個不同「世界」的居民,平常相安無事,但偶爾也會意外「撞倒」。
「國際數學家大會」(ICM: International Congress of Mathematicians)像奧運一樣, 是個每四年舉辦一次的盛會。 1954 年的 ICM 在阿姆斯特丹舉行,大會邀請艾雪做一場盛大的個展。 後來成為理論物理學大師的潘洛斯(R. Penrose)當年 23 歲,以數學研究生的身分, 從英國到荷蘭參加這場盛會。 他在那裡欣賞了艾雪的創作,並受到《相對論》的啟發, 開始思考「以透視邏輯創造空間之視覺矛盾」的最基本原理。
作為一名數學(物理)學者,潘洛斯的訓練和思考習慣, 都傾向於探索事物或現象的最基本原理。 經過一再簡化與抽象化之後,潘洛斯獲致了一個最基本的
如今稱為「潘洛斯三角」。 潘洛斯與他的父親─老潘洛斯(L. S. Penrose)─分享這個發現。 老潘洛斯也是一名傑出的學者, 應用兒子的發明設計出一系列的「不可能結構」或「模稜兩可造型」, 並且用木頭製作了模型:實際上不可能,但在某個特殊視角(透視)之下, 呈現了有如潘洛斯三角形的視覺效果。 他們父子二人於 1958 年聯名在心理學期刊上發表了這些發現, 並且寄了一份論文抽印本給艾雪。
事實上,同樣在 1958 年,艾雪的《瞭望台》(Belvedere,1958) 幾乎與潘洛斯父子平行發展出一樣的不可能結構。 繼《相對論》之後,艾雪想要挑戰更高層次的不可能: 《相對論》只是不符合我們的生活經驗,並非絕不可能, 而《瞭望台》則是真正的不可能。 看著那眺望台的一樓,它的窄邊看來朝著左前方, 但是二樓的窄邊看來朝著右前方,兩者之間的「缺口」則恰好讓一副木梯, 立在一樓的室內,卻搭在二樓的室外。難道裡面也是外面、外面也是裡面嗎? 那可不見得。地下室鐵窗內似乎禁錮著一個人, 他很清楚:裡面就是裡面,外面就是外面。
潘洛斯父子和艾雪終於在 1960 年會面了。 那天,他們發現艾雪和老潘洛斯生於同一年; 但他們當然不知道,這兩位大師也將在同一年辭世。 老潘洛斯向艾雪展示了「走不完的台階」(又名「潘洛斯階梯」), 小潘洛斯展示「不可能的三角形」。 艾雪幾乎立刻就將前者複製成《升與降》(Ascending and Descending,1960), 圖中描繪了一座學院式的建築,其頂樓有許多人沿著台階攀爬而上或拾級而下, 但若注意看人們的腳步,便會發現這是真實世界中不可能出現的建築結構。
這個令人迷炫的迴轉梯,重複出現在後來的許多影片中。
如今艾雪已經辭世超過四十年,應該可以安全地說,他的創作已成經典, 而他的「生涯代表作」就是做於 63 歲的《瀑布》(Waterfall,1961)。 《瀑布》的畫面主角是一簾水幕,它推動了一輪水車, 整棟建築座落在艾雪魂牽夢縈的南義大利。 剛開始,吸睛的或許是左下角被過度放大的苔蘚, 或者雙塔上的裝飾品(分別是融嵌在一起的三個正方體和三個八面體)。 但是,再多看一眼,應該就覺得奇怪了:落下來的水沿著渠道流回到水車的上方, 源源不絕地提供轉動水車的能量。
《升與降》幾乎就是《瀑布》的暖身之作。 現在回顧《瀑布》,應該看得出來,艾雪的構圖裡, 用了三個潘洛斯的「不可能三角形」。 而且現在也更能理解數學家為什麼熱愛艾雪: 因為艾雪利用透視的邏輯矛盾創造出心靈上可喜的藝術, 正如數學家利用邏輯矛盾確認出理智上可喜的真實, 例如「分數的平方都不可能是二」和「質數有無窮多個」。
討論艾雪的畫作,經常導引出「真實性」的話題。 的確,「錯覺」之所以會「錯」,都是因為人總是看到他想要看到的, 相信他想要相信的。 傳統的哲學議題,經常討論心靈真實與物理真實的對立、並立、或鏡射, 但此處我們想要提出第三種真實:數學真實。 這是潘洛斯的一部「磚頭書」《The road to reality: A complete guide to the laws of the universe》教給我的概念之一。
「心」和「物」兩種真實的討論,多少進入了我們的生活,所以大家都熟悉。 潘洛斯提出第三種真實,「數學」真實。 數學的結構不是物質的,它的真實性與時間和空間無關; 我們很容易理解「數學」真實不同於「物」的真實; 最基本地,我們無法用任何物質來定義「壹」,而且除了關於正整數的某些性質以外, 數學的真實性在物質世界中根本是不存在的。 再仔細想想,「數學」真實也不同於「心」的真實,數學就像宇宙洪荒一樣, 並不是因為人的心靈而存在的; 即使沒有任何心靈認識它, 直角三角形的斜邊正方形面積還是等於另外兩邊正方形面積的和。
「心」、「物」和「數學」三種真實,互不相同亦不相容, 但是以「潘洛斯三角」那種意象彼此支持著。 容我這麼說:艾雪那獨步於古今的藝術, 之所以能夠直接撼動不曾受過專業訓練的赤子之心, 同時廣獲心理、物理、哲學、數學專業的喝采, 是因為他以優雅幽默而且精確的方式, 將「數學」悄悄地融嵌在大家熟悉的「心、物」二元概念之間, 讓人感受到這三種真實的並立與分立。