物理世界（三十二）

刘文旺

声学（上）

声音是人类最早研究的物理现象之一。世界上最早的声学研究工作主要在音乐方面。《吕氏春秋》记载，黄帝令伶伦取竹作律，增损长短成十二律；伏羲作琴，三分损益成十三音。三分损益法就是把管(笛、箫)加长三分之一或减短三分之一，这样听起来都很和谐，这是最早的声学定律。传说在古希腊时代，毕达哥拉斯也提出了相似的自然律，只不过是用弦作基础。

从上古起直到19世纪，人们都是把声音理解为可听声的同义语。中国先秦时就说“情发于声，声成文谓之音”，“音和乃成乐”。声、音、乐三者不同，但都指可以听到的现象。同时又说“凡响曰声”，声引起的感觉(声觉)是响，但也称为声，这与现代对声的定义相同。西方国家也是如此，英文的的词源来源于希腊文，意思就是“听觉”。

世界上最早的声学研究工作主要在音乐方面。《吕氏春秋》记载，黄帝令伶伦取竹作律，增损长短成十二律；伏羲作琴，三分损益成十三音。三分损益法就是把管(笛、箫)加长三分之一或减短三分之一，这样听起来都很和谐，这是最早的声学定律。传说在古希腊时代，毕达哥拉斯也提出了相似的自然律，只不过是用弦作基础。

毕达哥拉斯

1957年在中国河南信阳出土了蟠螭文编钟，它是为纪念晋国于公元前525年与楚作战而铸的。其音阶完全符合自然律，音色清纯，可以用来演奏现代音乐。1584年，明朝朱载堉提出了平均律，与当代乐器制造中使用的乐律完全相同，但比西方早提出300年。

例如，很长时期内，古代人们对日常遇到的光和热就没有正确的认识，一直到牛顿的时代，人们对光的认识还有粒子说和波动说的争执，且粒子说占有优势。至于热学，“热质”说的影响时间则更长，直到19世纪后期，恩格斯还对它进行过批判。

远古时期

中华民族音乐的蒙昧时期早于华夏族的始祖神轩辕黄帝两千余年。据今六千七百年至七千余年的新石器时代，先民们可能已经可以烧制陶埙，挖制骨哨。这些原始的乐器无可置疑地告诉人们，当时的人类已经具备对乐音的审美能力。

远古的音乐文化根据古代文献记载具有歌、舞、乐互相结合的特点。葛天氏氏族中的所谓“三人操牛尾，投足以歌八阕”的乐舞就是最好的说明。当时，人们所歌咏的内容，诸如“敬天常”、“奋五谷”、“总禽兽之极”反映了先民们对农业、畜牧业以及天地自然规律的认识。这些歌、舞、乐互为一体的原始乐舞还与原始氏族的图腾崇拜想联系。例如黄帝氏族曾以云为图腾，他的乐舞就叫做《云门》。关于原始的歌曲形式，可见《吕氏春秋》所记涂山氏之女所作的“候人歌”。这首歌的歌词仅只“候人兮猗”一句，而只有“候人”二字有实意。这便是音乐的萌芽，是一种孕而未化的语言。

夏、商时期

夏商两代是奴隶制社会时期。从古典文献记载来看，这时的乐舞已经渐渐脱离原始氏族乐舞为氏族共有的特点，它们更多地为奴隶主所占有。从内容上看，它们渐渐离开了原始的图腾崇拜，转而为对征服自然的人的颂歌。例如夏禹治水，造福人民，于是便出现了歌颂夏禹的乐舞《大夏》。夏桀无道，商汤伐之，于是便有了歌颂商汤伐桀的乐舞《大蠖》。商代巫风盛行，于是出现了专司祭祀的巫(女巫)和觋(男巫)。他们为奴隶主所豢养，在行祭时舞蹈、歌唱，是最早以音乐为职业的人。奴隶主以乐舞来祭祀天帝、祖先，同时又以乐舞来放纵自身的享受。他们死后还要以乐人殉葬，这种残酷的殉杀制度一方面暴露了奴隶主的残酷统治，而在客观上也反映出生产力较原始时代的进步，从而使音乐文化具备了迅速发展的条件。

据史料记载，在夏代已经有用鳄鱼皮蒙制的鼍鼓。商代已经发现有木腔蟒皮鼓和双鸟饕餮纹铜鼓，以及制作精良的脱胎于石桦犁的石磐。青铜时代影响所及，商代还出现了编钟、编铙乐器，它们大多为三枚一组。各类打击乐器的出现体现了乐器史上击乐器发展在前的特点。始于公元前五千余年的体鸣乐器陶埙从当时的单音孔、二音孔发展到五音孔，它已可以发出十二个半音的音列。根据陶埙发音推断，我国民族音乐思维的基础五声音阶出现在新石器时代的晚期，而七声至少在商、殷时已经出现。

西周、东周时期

西周和东周是奴隶制社会由盛到衰，封建制社会因素日趋增长的历史时期。西周时期宫廷首先建立了完备的礼乐制度。在宴享娱乐中不同地位的官员规定有不同的地位、舞队的编制。总结前历代史诗性质的典章乐舞，可以看到所谓“六代乐舞”，即黄帝时的《云门》，尧时的《咸池》，舜时的《韶》，禹时的《大夏》，商时的《大蠖》，周时的《大武》。周代还有采风制度，，收集民歌，以观风俗、察民情。赖于此，保留下大量的民歌，经春秋时孔子的删定，形成了我国第一部诗歌总集--《诗经》。它收有自西周初到春秋中叶五百多年的入乐诗歌一共三百零五篇。《诗经》中最优秀的部分是“风”。它们是流传于以河南省为中心，包括附近数省的十五国民歌。此外还有文人创作的“大雅”、“小雅”，以及史诗性的祭祀歌曲“颂”这几种体裁。就其流传下来的的文字分析，《诗经〉中的歌曲以可概括为十种曲式结构。作为歌曲尾部的高潮部分，已有专门的名“乱”。在《诗经》成书前后，著名的爱国诗人屈原根据楚地的祭祀歌曲编成《九歌》，具有浓重的楚文化特征。至此，两种不同不同音乐风格的作品南北交相辉映成趣。

周代时期民间音乐生活涉及社会生活的十几个侧面，十分活跃。世传伯牙弹琴，钟子期知音的故事即始于此时。这反映出演奏技术、作曲技术以及人们欣赏水平的提高。古琴演奏中，琴人还总结出“得之于心，方能应之于器”的演奏心理感受。著名的歌唱乐人秦青的歌唱据记载能够“声振林木，响遏飞云”。更有民间歌女韩娥，歌后“余音饶梁，三日不绝”。这些都是声乐技术上的高度成就。

周代音乐文化高度发达的成就还可以一九七八年湖北随县出土的战国曾侯乙墓葬中的古乐器为重要标志。这座可以和埃及金字塔媲美的地下音乐宝库提供了当时宫廷礼乐制度的模式，这里出土的八种一百二十四件乐器，按照周代的“八音”乐器分类法(金、石、丝、竹、匏、土、革、木)几乎各类乐器应有尽有。其中最为重要的六十四件编钟乐器，分上、中、下三层编列，总重量达五千余公斤，总音域可达五个八度。由于这套编钟具有商周编钟一钟发两音的特性，其中部音区十二个半音齐备，可以旋宫转调，从而证实了先秦文献关于旋宫记载的可靠。曾侯乙墓钟、磐乐器上还有铭文，内容为各诸侯国之间的乐律理论，反映着周代乐律学的高度成就。在周代，十二律的理论已经确立。五声阶名(宫、商、角、徵、羽)也已经确立。这时，人们已经知道五声或七声音阶中以宫音为主，宫音位置改变就叫旋宫，这样就可以达到转调的效果。律学上突出的成就见于《管子-地员篇》所记载的“三分损益法”。

就是以宫音的弦长为基础，增加三分之一(益一)，得到宫音下方的纯四度徵音;徵音的弦长减去三分之一(损一)，得到徵音上方的纯五度商音;以次继续推算就得到五声音阶各音的弦长。按照此法算全八度内十二个半音(十二律)的弦长，就构成了“三分损益律制”。这种律制由于是以自然的五度音程相生而成，每一次相生而成的音均较十二平均律的五度微高，这样相生十二次得不到始发律的高八度音，造成所谓“黄钟不能还原”，给旋宫转调造成不便。但这种充分体现单音音乐旋律美感的律制一直延续至今。

有本畅销书，名《管子解读：领袖需要的智慧》。作者魏承思，是南怀瑾的弟子。遇到他的时候，他的对襟中装口袋里插着一个IPAD MINI，坐下来要一份Espresso 说是“功夫茶”……他还是“欧洲思想史”专业的硕士。被有文化追求的大款要求讲“西方经济学”、货币战争之类时，他反而推荐《管子》，这本书早在数千年就解决了货币战争的问题。所以，《管子解读》是他应各方要求，在浦东干部学院的讲课实录。

古典音乐在欧美的现状，其实和戏曲在中国是一样一样的。看歌剧的都是白发人。但是很多指挥作曲家，例如已故的马泽尔，始终认为：“古典音乐的未来在中国”——对于古典音乐工作者而言，这真是喜大普奔的好消息，估计自己的职业生涯一定会绽放。与此同时，谭盾又运用中国古典美学理念融入西方作曲实例，赢得国际声誉。上交公布2015/16新乐季时，透露的主题是“中西对话”，其中有魏海敏的京剧交响片段《贵妃醉酒》与马勒的歌曲集《少年魔角》“嫁接”……音乐界如此乐观，有何启迪?最起码一点，要提升民族文化的自尊自信。

对声学的系统研究是从17世纪初伽利略研究单摆周期和物体振动开始的。从那时起直到19世纪，几乎所有杰出的物理学家和数学家都对研究物体的振动和声的产生原理作过贡献，而声的传播问题则更早就受到了注意，几乎2000年前，中国和西方就都有人把声的传播与水面波纹相类比。

1635年有人用远地枪声测声速，以后方法又不断改进，到1738年巴黎科学院利用炮声进行测量，测得结果折合为0℃时声速为332米/秒，与目前最准确的数值331.45米/秒只差0.15%，这在当时“声学仪器”只有停表和人耳和情况下，的确是了不起的成绩。

牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中推理：振动物体要推动邻近媒质，后者又推动它的邻近媒质等等，经过复杂而难懂的推导，求得声速应等于大气压与密度之比的二次方根。欧拉在1759年根据这个概念提出更清楚的分析方法，求得牛顿的结果。但是据此算出的声速只有288米/秒，与实验值相差很大。

达朗贝尔于1747年首次导出弦的波动方程，并预言可用于声波。直到1816年，拉普拉斯指出只有在空气温度不变时，牛顿对声波传导的推导才正确，而实际上在声波传播中空气密度变化很快，不可能是等温过程，而应该是绝热过程。因此，声速的二次方应是大气压乘以比热容比(定压比热容与定容比热容的比)与密度之比，据此算出声速的理论值与实验值就完全一致了。

直到19世纪末，接收声波的“仪器”还只有人耳。人耳能听到的最低声强大约是10ˉ12瓦/米2，在1000Hz时，相应的空气质点振动位移大约是10pm(10ˉ11米)，只有空气分子直径的十分之一，可见人耳对声的接收确实惊人。19世纪中就有不少人耳解剖的工作和对人耳功能的探讨，但至今还未能形成完整的听觉理论。目前对声刺激通过听觉器官、神经系统到达大脑皮层的过程有所了解，但这过程以后大脑皮层如何进行分析、处理、判断还有待进一步研究。

音调与频率的关系明确后，对人耳听觉的频率范围和灵敏度也都有不少的研究。发现著名的电路定律的欧姆于1843年提出，人耳可把复杂的声音分解为谐波分量，并按分音大小判断音品的理论。在欧姆声学理论的启发下，人们开展了听觉的声学研究(以后称为生理声学和心理声学)，并取得了重要的成果，其中最有名的是亥姆霍兹的《音的感知》。

                                                                                                                  达朗贝尔

19世纪及以前两三百年的大量声学研究成果的最后总结者是瑞利，他在1877年出版的两卷《声学原理》中集经典声学的大成，开创了现代声学的先河。至今，特别是在理论分析工作中，还常引用这两卷巨著。他开始讨论的电话理论，目前已发展为电声学。

20世纪，由于电子学的发展，使用电声换能器和电子仪器设备，可以产生接收和利用任何频率、任何波形、几乎任何强度的声波，已使声学研究的范围远非昔日可比。现代声学中最初发展的分支就是建筑声学和电声学以及相应的电声测量。以后，随着频率范围的扩展，又发展了超声学和次声学；由于手段的改善，进一步研究听觉，发展了生理声学和心理声学；由于对语言和通信广播的研究，发展了语言声学。

（未完待续）