當聲學之父遇到一代梟雄,月光共振了琴絃的兩端

當聲學之父遇到一代梟雄,月光共振了琴絃的兩端

1809年2月巴黎的傍晚,轆轆的馬車聲如雨水般滑過石板路,幽遠的車鈴隨著縹緲的風聲傳來。不過剎那,一輛繁貴富麗的馬車停靠著在杜伊勒裡宮前。車裡有法蘭西第一帝國的參議院議長德拉普爾伯爵、榮譽軍團大議長拉塞佩德和帝國參議員貝爾託萊,以及從德國遠道而來的“克拉尼博士”。

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杜伊勒裡宮,來源:wikipedia

此時在杜伊勒裡宮內等候來訪者的正是法蘭西第一帝國的締造者拿破崙,他透過數學家拉普拉斯伯爵的斡旋,邀請這位“克拉尼博士”展示其極負盛名的“聲音圖形”。其他同在宮內等候的學者有化學家貝託萊(Claude Louis Berthollet)、生物學家拉塞佩德(Bernard Germain de Lacépède)、數學家泊松(Simeon-Denis Poisson)、物理學家薩伐爾(Félix Savart)和畢奧(Jean-Baptiste Biot),以及尚在巴黎逗留的德國物哲學家馮·洪堡(Wilhelm von Humboldt)。雖然藝術家們經常受邀至宮內進行表演,但科學家在此巡講表演實屬難得一見。

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很少有人踏上達·芬奇和伽利略開闢的“視覺聲學”之路。最終是這位德國自然科學家恩斯特·克拉尼(Ernst Chladni),追隨了先行者的道路,將聲學變為一門獨立的學科。克拉尼最重要的成就之一是發明了顯示剛性表面上各種振動模式的技術:在1787年的實驗中,他將細沙撒在均勻光滑的銅盤上,並在銅盤的邊緣緩緩拉動小提琴弓,奇特的一幕發生了,沙子在幾秒鐘內形成了不同聚散形態的線條花紋——克拉尼圖形就此誕生。

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克拉尼透過將板子固定在拇指和食指之間的不同位置而產生振動模式的,來源:monoscope

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《Die Akustik》中的克拉尼圖形,來源:《Die Akustik》

童年嚴苛的成長環境使克拉尼嚮往遠方,嚮往明天的道路,他一生都在歐洲各地做巡迴演講、表演。他發現公眾實際上僅僅是對獨特曼妙聲音圖形和一場精彩的表演感興趣,而不是對科學研究感興趣。於是克拉尼在接下來的巡講中展示他發現的聲音圖形為主,輔以向公眾科普他所研究的聲學。

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克拉尼在雷根斯堡的圖恩和塔克西斯王子的宮殿裡展示聲音圖形,來源:RumanovskyStadtrucker

1802年,克拉尼又一突破性著作《Die Akustik》問世,毫不誇張地說,這本書的出現使聲學成為一門獨立的學科。書中包含了對樂器的製作、聲音的產生、傳播與接收理論等全新的聲學領域研究,彙編和評論了他在歐洲旅行中發現的大量關於聲學的研究成果,這揭示了為什麼在300年後,在研究特定頻率共振的圖形現象時,克拉尼是公認的“聲學之父”。

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《Die Akustik》封面,來源:wikipedia

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1806年,克拉尼再次踏上歐洲巡講的旅程,途經荷蘭和布魯塞爾來到了巴黎。此時的法國正處於動盪局勢後的恢復和重建中,法國啟蒙運動中“勇於求知”的啟蒙精神猶如漫長的黑夜點起的明燈。

1799年拿破崙掌握政權後,意識到擁有一群獨立的科學家、自由地進行新的實驗和哲學研究的重要性。正是以法國大革命為轉機,科學逐漸成為一門專門職業,同時揭開了第二次科學革命的帷幕。拿破崙對科學的潛力深信不疑,並且高瞻遠矚地預見到科學能改變一個國家的命運,可以提高人民的經濟地位和生活質量。也正是在他的重視之下,法國皇家科學院爆發出了勃勃生機,無數歐洲重量級的科學家們被邀請到皇家科學院任教,讓19世紀的法國再度成為了世界科學的中心。

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Bertini,Volta with Napoleon,來源:Alamy

1808年12月克拉尼在巴黎逗留期間,向法國科學院介紹了他所有的聲學研究工作,科學院組織了由博物學家拉賽佩德(tienne de Lacepède)、數學家普隆尼(Gaspard de Prony)、礦物學家赫羽依(René Just Haüy)和音樂家梅裕爾(tienne Nicolas Méhul)、格雷特里(André Grétry)和戈賽克(Franois-Joseph Gossec)組成的評估委員會,他們對克拉尼的研究給予了肯定和讚許。

訊息一經傳出,數學家拉普拉斯伯爵(Pierre-Simon Laplace)、化學家蓋·呂薩克(Gay Lussac)博物學家馮·洪堡(Alexander von Humboldt)和物理學家讓·阿拉果(Dominique Franois Jean Arago)四位學者都激動地表示希望克拉尼能將他的聲學著作翻譯成法語,填補科學界聲學領域的空白。

克拉尼帶來的這一系列震動很快傳到拿破崙的耳朵裡,便在數學家拉普拉斯伯爵的引薦下與他進行了文初的那次會面。讓我們再一次看看克拉尼對此的回憶:

“拿破崙站在房間的中央接待了我,並善意的問候了我。在場的還有他的妻子約瑟芬皇后,那是一位受過良好教育的和藹可親的女士,他的母親萊蒂齊婭同樣是外表和言談舉止無不透露出良好的禮儀……”

首先他用自己發明的樂器克拉維柱琴(Clavi-cylinder)演奏了海頓的樂曲,這是一架類似鋼琴的樂器,“琴鍵”的排列如同鋼琴一樣,按下去會使“琴鍵”壓在下方的旋轉圓柱筒上,圓柱筒由腳下的踏板控制旋轉,每當“琴鍵”接觸到圓柱筒,便會因摩擦振動而產生聲音:

“我首先展示了Clavi-cylinder的演奏效果,看來在場的人都很高興。拿破崙也想試著用它彈出一些聲音,儘管我告訴他只能非常輕柔地按下琴鍵,並且他以為自己已經非常輕柔地按下了琴鍵,然而他還是用了很大的力氣,在我看來,他的能量多過溫柔也在此體現出來。”

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克拉維柱琴(Clavi-cylinder),來源:wikipedia

隨後克拉尼又展示了聲音圖形,並得到了全場的矚目:

“拿破崙對我的實驗和解釋非常重視,作為數學方面的專家,他要求我自下而上地向他解釋一切,所以不允許我輕率行事。他還相當清楚地知道,人們還不能把以不同方式在一個以上的方向上彎曲的彎曲線,以與彎曲線相同的方式受制於微積分,因此,如果人們能在這方面取得進一步的進展,把它應用於許多其他領域也將是有益的。”

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克拉尼為拿破崙展示聲音圖形,來源:德國慕尼黑博物館

翌日清晨,拿破崙頒發給克拉尼6000法郎的科研基金用於將他的聲學著作《聲學(Die Akustik)》譯成法語。在做這項工作時,克拉尼發現:書中他使用的具有多個不同含義的德語聲學詞彙:Schall、Klang和Ton,在法語中只有一個詞可以表達,即son(聲音)。他向法國學者諮詢了這個問題,但並未得到任何有效的幫助:“我們魔鬼般的語言並不能藉以表達所有的想法。有時你甚至需要犧牲一些奇思妙想。”克拉尼索性抓住這個機會對書中的內容進行了徹底的修改,他刪除了陳舊的內容,增加了新的觀點。最終該書以《Traité d’Acoustique(聲學論著)》為題出版。在數學家拉普拉斯伯爵建議下,克拉尼將這本書獻給了拿破崙:

“我最大的麻煩在於不可避免的獻禮。也就是說,我沒有成功地寫出一份令人滿意的Traité d’Acoustique,一方面可以避免奉承(這不是我的風格),另一方面也可以表達我應有的尊重和感激之情。最後,我以一種大家都滿意的方式從被矚目的不適中脫身,即透過以下青石板風格的獻詞:拿破崙大帝在看過相關的基礎實驗後,已經屈尊接受這項工作的奉獻。”

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法語版Traité d’Acoustique扉頁獻給拿破崙,來源:Traité d’Acoustique

克拉尼在《Traité d’Acoustique(聲學論著)》中,表明了自己尚未研究出用數學方法解釋聲音圖形的規律運算和其他的聲學現象。於是拿破崙決定為這方面的數學研究頒發3000法郎的“巴黎科學院獎金”,獎勵給“得出克拉尼聲音圖形中彈性物質表面振動的數學理論,並將該理論與實驗資料進行比較”的學者。

儘管該項數學研究在當時未盡善盡美,但這場火種的“接力”一直在延續。後繼的科學家們持續不斷地進行著研究,直至今日,在量子力學中,克拉尼聲音圖形和其中的“節點形態”仍是科學界討論的焦點——因為駐波方程、亥姆霍茲方程和定態薛定諤方程之間存在著等價關係。而在不規則形成的反射壁中,透過振動板對量子混沌進行觀察,“節點形態”在不同的領域裡也是重要的核心:在光場、地震破壞模式、甚至在視覺皮層的模式形成中皆是如此。

看到由克拉尼圖形激發出的種種後續發展,拿破崙的預言迴盪在耳畔: “如果在克拉尼圖形及其引申方面的探索能取得進一步的進展,應用於其他領域時將是大有用處的”。再回首,我們依舊折服於拿破崙的遠見卓識。

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正如牛頓認為引力是一種特殊的力一樣,可能人與人之間真的存在量子糾纏:1813年的夏天,拿破崙大軍的殘部在維滕貝格與普魯士軍交戰,剛回鄉不到一年的克拉尼被迫遷往維滕貝格以南的小鎮肯貝格,這也是拿破崙最後一次影響他的生活軌跡。同年秋天,他在維滕貝格留下的公寓被戰火燒燬。克拉尼失去了他在家鄉最後的堡壘。直到生命的最後一刻,克拉尼仍然在巡講的路上,心之所向,甘之如飴。

俞伯牙得遇鍾子期,高山流水的典故流傳千年;管仲遇見鮑叔牙,成就了“管鮑之交”;白居易與元稹,大唐最鐵的友情,可謂曠古爍今。當聲學之父遇到一代梟雄,人生一知己,足以慰風塵。

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編輯:樂子超人