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分形:大自然的减压奥秘

“到大自然里走一走吧,呼吸一下新鲜空气,没准心情就变好了。”在向人抱怨情绪不好时,最常听到的建议也许就是这句话。这虽然是老生常谈,却的确是个好建议。我们现在知道,大自然之所以有治愈之力,一个重要原因是:大自然是个“敬畏素材库”,江河湖海、森林高山是最容易引发敬畏感的景观。

自然的治愈之力可绝不仅仅来自敬畏。这一节,我们来聊聊自然治愈之力的另一个来源:自然景观中的 分形结构 。“欣赏分形”是处理负面情绪的另一贴万灵药,因为它可以非常有效地舒缓压力。

什么是分形

分形 (fractal)是这样一种几何形状:把整体分成几个部分之后,每个部分看起来都像是整体缩小后的形状;把部分再继续往下分,更小的部分也还是跟整体很像。用数学术语来说,分形就是有“自相似性”的几何结构。

自然界里几乎到处都有分形结构。比如树,主干中分出大的枝干,枝干中再分出小树枝。盯着每一个局部看的时候,那个局部的结构看上去都像一棵小树。再比如闪电,最粗的那道电弧上分出很多小电弧,小电弧上又分出更小的电弧。同样,每一个局部也都像一道完整的闪电。雪花的结构、云的形状、山脉的轮廓、一些蔬菜的形状(比如花菜)以及一些动物皮毛上的图案也都是分形结构。

那么,为什么“欣赏分形”是处理负面情绪的一贴万灵药呢?分形图案会对人的情绪产生什么影响?这个问题的答案得从一位物理学家的发现说起。

抽象画中的分形

美国俄勒冈大学物理系教授理查德·泰勒(Richard Taylor)是位跨界天才。他曾经非常喜欢研究分形,也一直热衷于艺术。有一段时间,他发现自己看分形图案时总会联想起杰克逊·波洛克(Jackson Pollock)的抽象画。波洛克是著名的抽象表现主义画家,他最著名的作品都是用自创的滴画法(类似于中国画里那种大泼墨)创作的,各种颜色的线条密密麻麻地交织在一起,组成抽象图案。

波洛克画作:Number 1,1950(Lavender Mist)

资料来源: https://www.nga.gov/collection/art-object-page.55819.htm

理查德·泰勒意识到,自己总在分形与波洛克之间产生联想,很可能是因为波洛克的画里隐藏着不易察觉的分形结构。于是,他着手用测量分形结构的数学方法来量化分析波洛克的画

结果发现,波洛克的画里果然充满了分形。波洛克的画乍一看只是把各种颜料乱泼一气而已,但实际上画里的线条结构森严,大结构里包含相似的小结构,小结构里还包含着相似的小结构,它们一起组成了相当完美的分形图案。换句话说,波洛克的抽象画并不是凭空捏造的抽象,而仿佛提炼出了自然景观的某种精髓。1999年,理查德·泰勒把这个研究发表在了顶级科学期刊《自然》杂志上,同时在艺术界和物理学界引起了轰动。

分形的减压奇效

泰勒关心的下一个问题是:隐藏在画中的分形是否就是波洛克画作让人赏心悦目的原因呢?

泰勒让受试者观看各种带分形结构的抽象图案,然后用一些生理指标衡量他们的压力水平 。结果发现,当图片的分形维数D在1.3~1.5之间时,减压效果最好,受试者看这些图片时主观感觉也最舒服( 分形维数 是衡量分形图案复杂度的一个指标,用大写字母D表示,数值一般在1~2之间)。

泰勒还跟瑞典环境心理学家卡罗琳·哈格尔(Caroline Hagerhäll)合作,把一些户外景观的照片简化成只带轮廓线的简单图案之后拿给受试者看。结果,受试者最喜欢的还是分形维数在1.3~1.5之间的图案 。受试者哪怕只看这种分形维数1.3~1.5的图片一分钟,大脑额叶部位也会产生α波 ,而α波是人处在 放松舒适状态 时产生的脑电波。

维数处在1.3~1.5之间代表分形图案的复杂度在中等偏低水平。自然界里哪些事物的分形维数在这个范围内呢?树的分形维数分布比较广,大约在1.28~1.90之间,有不少树木的分形是落在1.3~1.5这个区间内的。海浪的分形维数大约是1.3,云朵的分形维数在1.3~1.33 。难怪在海滩上走一走会有那么好的治愈效果——低头看海浪、抬头看云朵,满眼皆是赏心悦目的分形。如果海滩后面还长着一些分形维数在1.3~1.5之间的树,那就真的是无敌海景了。

那么,波洛克画中图案的分形维数在什么范围呢?波洛克探索滴画法的过程大约历时10年。在那10年间,他画中的分形维数是逐步上升的,从一开始的1左右,最后上升到1.9左右。理查德·泰勒让受试者按自己的喜爱程度给这些不同时期的画打分,结果发现,受试者眼中最好看的是分形维数1.5的那些画,恰好在1.3~1.5这个范围之内!

看来,从波洛克的画作里散发出来的魅力很大程度上的确源自于画中的分形。很多人发自内心地喜欢波洛克的画,但说不出为什么喜欢。现在我们终于知道部分原因了:我们以为自己看见的是一堆凌乱的线条,可实际上我们看到的可能是一片片抽象化了的森林。

人类为何偏爱分形

现在还有最后一个问题:为什么分形维数在1.3~1.5之间的结构最具舒缓压力的效果,也最被人们喜爱呢?

理查德·泰勒和他的合作者提出了一个非常有趣的解释 。泰勒等人发现,人眼在视野中搜索物体的视线轨迹其实也是分形的。眼睛首先会扫描视野里比较大的元素,然后在一个更小的范围内重复之前那个搜索模式,然后再进一步缩小,直到锁定目标。于是,从大到小几个层次的搜索轨迹构成了分形图案,而且它的维数不偏不倚,正好就在1.3~1.5这个中等D值的范围内。

不光是人眼搜索目标的轨迹符合这个规律,如果我们把动物觅食的轨迹画出来分析(比如信天翁在海上盘旋最后扎到水里捕鱼的盘旋轨迹),就会发现这个轨迹也是一个中等D值的分形结构。

理查德·泰勒认为,这说明基于中等程度分形维数的轨迹来搜寻目标是一种非常高效的搜索策略,它显然是在生物进化过程中被选择出来的。所以,如果一个场景过于复杂、分形维数太高(比如城市里的交叉路口),或者分形维数太低(比如一些特别单调的建筑),人眼就很难做到高效搜索。而视觉搜索不流畅会让我们感觉紧张和不适。反过来,如果景物的分形维数与人眼搜索目标的轨迹维数比较匹配,视觉搜索变得流畅,我们的精神也就会随之放松下来。

所以,大自然的一些景色,如云朵、海浪、树,之所以让人感觉美好,感觉放松,一部分原因可能就是因为这种视觉上的流畅感,而不是那些听起来更浪漫、更复杂的理由,比如我们有亲近大自然的本能。

在接受《自然的治愈》一书的作者弗洛伦斯·威廉姆斯采访时,理查德·泰勒说,现在的城市景观在设计时几乎没有考虑过分形,于是我们这些“都市智人”就跟大自然里那些有分形结构的“减压装置”失去了联系。虽然现阶段我们对自然界分形的理解还十分粗浅,不过泰勒希望有朝一日能把关于分形的各种规律更好地提炼出来,然后把它们提供给建筑师和艺术家,让未来的人造景观变得更加美好。

行动指南:要么到大自然里去,要么做“自然宅”

那我们该如何利用分形改善自己的情绪和精神状态呢?在房间里挂几幅波洛克的画也许是个不错的方法。也有研究发现,即便是看一会儿自然纪录片也能改善心情。但这些可能都比不上亲自到大自然里走一走。毕竟,大自然才是盛产中等维数分形图案的地方。

而且,越是 深入 大自然,越是在视觉上有一种被大自然围住的 包裹感 ,自然的治愈效果也可能越好。这是因为,如果分形是通过影响视觉搜索路径来影响情绪的,那么维数合适的分形结构自然要在视野中占多一点的比例才好。

所以,如果你实在懒得出门,那我建议你在看自然纪录片时尽量把屏幕拉近一点。就算宅,也要做个被大自然包裹起来的“自然宅”。

扩展阅读

[1] 伯努瓦.B.曼德布罗特.大自然的分形几何学[M].陈守吉,凌复华,译.上海:上海远东出版社,1998. xszxW0+/T0TsOtB2R5/4VKHjzqC5DNEyxYGniFJTQqxDxvIuWnM6BZT1781VpidT

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