科学家们解题的“万能公式”居然是音乐？_政策研究室_科技与创新

科学家们解题的“万能公式”居然是音乐？

: 编辑：csm351

2022-04-30来源：探索日记

　　伟大的物理学家爱因斯坦钟爱音乐，想必很多音乐爱好者都有所耳闻。
　　他曾不止一次对外宣称：如果不是研究物理，我可能会成为一名音乐家。我一生的喜悦主要来自音乐。
　　爱因斯坦出生在一个充满音乐氛围的家庭，从小学习小提琴。成年后的他更是音乐厅的常客，也交到了很多音乐家朋友，甚至还曾到比利时王宫里进行演奏。
　　在他心中，音乐是自己进行物理研究的动力，也是创造新理论的催化剂。
　　当然，除了爱因斯坦，或许很多人不知道，古今中外还有非常多大家耳熟能详的科学家都痴迷于音乐。
　　比爱因斯坦早三百多年的伽利略，受自己音乐家父亲的影响，也是一名音乐爱好者；数学家、哲学家笛卡尔的人生第一部著作其实是《音乐纲要》；物理大神牛顿，经常带一把小提琴在身上。
　　爱因斯坦的好朋友、量子力学的创始人普朗克，也是弹钢琴和手风琴的一把好手；诞生于20世纪的物理学家霍金，一生钟爱勃拉姆斯，年少时因买不起唱片机，曾买来便宜的零件自己组装。
　　中国的科学家同样不例外。
　　钱学森中学时代就是有名的铜管乐手，在美求学期间，他节衣缩食也不愿错过任何一场音乐会；地质学家李四光在英国求学时迷上小提琴，勤学苦练后，甚至谱写出了中国第一部小提琴曲《行路难》。
　　袁隆平在田间地头拉小提亲的身影，深深印在了很多人脑海；屠呦呦那张广为人知的照片背景里，最醒目的是一台钢琴。
　　音乐与科学，一个依赖于形象思维与艺术语言，一个依赖于逻辑思维与数字公式，两种看起来似乎毫不相干，甚至南辕北辙的学科，就这样神奇地在同一批人身上相融相交，相互促进，推动着社会的前进与发展。
　　01科学家通过研究音乐规律获取灵感
　　众所周知，音乐所具有的无限想象力很容易给人们带来创作上的遐思与灵感，这一点对于科学家来说也不例外。
　　爱因斯坦曾说：很多伟大的科学成就必定是从直觉知识开始的，想象力的秉赋胜于吸收绝对知识的才能。在科研工作中，一旦遇到了阻碍，他就会向音乐“求助”，弹钢琴或拉小提琴，而这往往也能很快帮他解决问题。
　　当然，除了这样不太容易掌控的直觉刺激，科学家们往往也能通过他们特有的观察和思考角度，从音乐理性的规律中获得科研灵感。
　　早在2500年前，古希腊哲学家毕达哥拉斯外出散步经过一家打铁铺，里面乒乒乓乓的打铁声听起来非常悦耳，他走进铺子，研究了铁锤和铁毡的大小，得出了音响和谐与发声体积有一定关系的规律。
　　伽利略则是在一次做礼拜时，注意到了教堂屋顶悬挂的、摇摆不定的吊灯，随后他联想到自己擅长的音乐节拍，最终进行了实验，发现了钟摆的等时性原理。
　　在巴洛克音乐繁荣发展的17世纪，牛顿曾有一段时间醉心于音高、音阶和音律的研究。
　　与此同时，牛顿还出于对音乐的喜爱，最早提出了音乐和颜色的联觉理论：他对音阶中的“七音”与光谱中的“七色”进行探索，认为它们可以一一对应起来。这套理论发表后，法国的卡斯泰尔神父据此制造了视觉大键琴，引起了社会轰动。
　　尽管这项设计在当时饱受非议，今天也并没有流传下来。但音乐与色彩的联觉运用，在今天早已幻化成各种形式，渗透进我们生活中。
　　时间来到二十世纪初，德国物理学家海森堡诞生了。他从小就展现出超凡的音乐才能，四岁就学会了看谱子。但长大后，他决心从事自己更有兴趣的科学研究。
　　不过，音乐始终像朋友一样陪伴着他，做科研的同时，他也经常弹琴甚至参加音乐会演出。大学时代，他曾提出“理论物理学的美感与音乐的美感存在着一种通感关系”这样的理论。
　　后来，海森堡更是受到音乐理论“泛音振动的频率是基音振动的整倍数”的启发，提出了原子跃迁基频与次频的猜想。
　　02音乐是理性美的外在表现形式
　　没错，作为大多数的普通人，在没有对音乐进行深入学习时，我们更容易感受到的是音乐的感性部分。但通过科学家的视角，我们会发现理性思维与音乐艺术之间也有着紧密关系——科学之美与音乐之美在很多地方是相通的。
　　事实上，音乐本身包含很强的物理属性与数学属性。
　　比如，乐器是靠振动发声的，这是音乐的物理属性；音乐的旋律、节奏与数学方程一样，有变与不变的周期性和多样性；而平面几何、立体几何与古典音乐的抽象美也有着一定的相似性。
　　很多优秀的音乐作品，内在结构上往往是严谨而规律的，而音乐正是这种理性与规律的外化。
　　有研究者曾将贝多芬《月光》中的和弦，用数学公式在坐标轴上绘制出来，发现可以得出三条规律、对称的正弦波。
　　我们也曾经出过一期视频，用音乐轻而易举地解出了高考数学题，让大家直观地感受到了音乐与数学的紧密关系。
　　我用钢琴算出了今年高考数学题！谁说音乐生不能学好数学？
　　19世纪，法国数学家约翰·傅里叶的研究证明，所有的器乐和声乐，都可以用数学式和图像描述出来，实现音乐的可视化。
　　这进一步证实了音乐与科学之间紧密的对应关系，也说明音乐可以是理性美的外在表现形式，而这也是我们如今可以在计算机上进行音乐创作和乐器设计的基础。
　　03极致的理性何尝不是一种艺术？
　　我们之前说过，很多事情做到极致，也便成为了艺术。
　　巴赫、贝多芬等音乐家夜以继日地创作，将自己的毕生所思所想都融入到音符节奏里，才有了如今古典乐一连串的瑰宝。
　　谷爱凌、苏翊鸣、羽生结玄等运动员，在日积月累、大量的训练中摸索和总结出自己的节奏与规律，于是，他们的比赛也成为了一种艺术。
　　而当科学家们将理性思维发挥到极致，让万物归于秩序，让一切有了规律，就构成了我们生活中不可或缺的和谐美
　　古希腊数学家毕达哥拉斯说“美在和谐”，这里的和谐可以归纳为一种数量关系。很多时候，我们恰到好处地调整数量比例关系，建筑、雕塑、书法甚至音乐和舞蹈，就能产生和谐的艺术效果，达成美感。
　　比如人人都熟悉的“黄金分割”比例，大自然的很多生物（比如螃蟹、海螺）都与这个数字有关，而当人们依照这个比例进行艺术创作，就更容易带来和谐的愉悦感。
　　所以，在艺术家天马行空的想象与充沛的情感表达背后，往往也暗藏着一套不易察觉的理性思维与逻辑。理性与美，也有着密不可分的关系。
　　更多时候，人类都是在感性思维与理性思维的共存交织中感受这个世界，愿我们既能触摸感性思维的柔软，也能参透数字与科学的理性之美。