书城教材教辅必玩的数学闯关
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第82章 音乐里的数学

人人都爱音乐,古今中外,皆莫能外。我国古代孔子就把音乐作为“六艺”之一,规定他的学生都必须掌握。许多数学家也都很喜欢音乐,大数学家欧拉甚至还发表过一篇用数学来研究音乐的论文。只是对数学家来说,这论文太音乐化了,而对音乐家来说又太数学化了。以致大家都不容易看懂。

1978年,湖北随州擂鼓墩曾侯乙墓出土了一套共65口编钟,被称为“曾侯乙钟”。这套埋于地下2400多年的古代乐器,总重超过5吨,音域达五个8度,其音阶结构与现代C大调系同一音列,且十二个半音齐备。用这套编钟可以演奏古今中外各种乐曲,被外国人称为“世界第八奇迹”。

过去,西方总认为中国的七声音阶形成晚于希腊,中国的七声音阶是“舶来品”,因为中国古代音乐主要用五声音阶(“宫、商、角、徵、羽”,即只有“1、2、3、5、6”五音而无,“4、7”这两个偏音。)

其实,在《周语》中就记录了十二音的专名:黄钟、大吕、太簇、夹钟、姑洗、仲吕、蕤宾、林钟、夷则、南吕、无射、应钟、半黄钟……且这些音可用“三分损益法”求出各音,这比希腊的毕达哥拉斯的同样的理论早一百多年。这说明我国七声音阶发明很早。

曾侯乙钟则以实物证明了我国古代音乐理论的发展水平极高,也证明了我国古代的乐律与西方乐律是互相独立发展起来的。

既是独立发展起来,那为什么不象独立发展起来的语言文字那样差异极大,而是那样接近,以致2400年前的中国乐器可以毫无困难地演奏现代西洋音乐呢?这与乐音的数理特性有关。

声音由振动产生,振动频率(每秒钟振动的次数)决定音的高低。相差8度的两音(例如钢琴上的“C1”与“C2”或唱的“1与”i),和谐,这在古今中外,皆莫能外。

1834年,物理学家规定G1=440次/秒,后被定为国际标准音。在西洋首创的键盘乐器(如钢琴上,一组完整的音包括七个白键五个黑键共12个高低不同的音,按由低向高顺序排列为:

……C、#C、D、#D、E、F、#F、G、#G、A、#A、B、c、#c、d……

在此序列中,任一音的音频都等于它前一音的音频乘以一个常数q。

这就得到各音的音频与“C”的音频的比值表:

这样的规定极易转调,以任何一个音作为“1”,都可轻而易举地转调,此即十二平均律,在我国是明代朱载育首先提出该理论,而在西欧则首先由巴赫用于实践,而键盘音乐则是依据十二平均律作成。

我国古代的弦乐计算弦长则依据“三分损益法”,可知C的5分损益2个波长,这样的两个音也很相似,很和谐。(程度仅次于8度音)用这“d”音。“d”音频的一米就是“D”音。“D”的音频的1.5倍就是“A”音,依次推算,即得12音的音频倍数表:

(相应的波长比为C:D:E:G:A=81:72:64:54:48)

这样的音律演奏起来曲调优雅,但变调性较差,我国的琵琶、笙、笛、箫等多用“三分损益法”制造。

注意到二者的差别不大,这一点差别,人耳是很难区别清楚的。由此可知,用中国的乐器演奏西洋音乐时不会遇到很大的困难。

由此可见,华夏文化,确实渊远流长,博大精深。