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
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  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。
 

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