科学家的故事——发现共振现象的沈括

2020-11-15   来源:名人故事

科学家的故事——发现共振现象的沈括

沈括是我国北宋时期著名的科学家,他博学多才,不仅精通天文、数学、化学、地理学、农学和医学,还对音乐和物理学有深入研究。

他还善于举一反三,能够将各个学科融会贯通。

有一天,沈括和几个爱好音乐的朋友聚在一起喝茶聊天。其中一位朋友跟大家讲了一件他遇到得奇怪事儿:“我家的琵琶,一直放在一间空屋里,平时没人弹奏。可前天我突然发现,当我在另一个屋子里用少数民族的管乐器演奏燕乐‘双调’(指我国隋唐至宋代宫廷宴饮时供娱乐欣赏的艺术性很强的歌舞音乐)时,那个空屋里的琵琶自己发出了声音,我刚开始以为自己听错了,就让仆人专门站在琵琶旁边听,反复了几次,我才确定,只要是用这个少数民族的管乐器演奏燕乐‘双调’,琵琶就发声,用其他乐器演奏,琵琶就不发声。”

众人听罢议论纷纷,有的说是鬼神附琴、还有的说是屋子有邪气,总之说什么的都有,但都解释不了其中的原因。只有沈括坐在一旁一言不发、气定神闲,于是,大家提议让见多识广的沈括来解释。

“每个乐器自身都有自己的音调,如果一个静止中的乐器的音调与某一弹奏中的乐器的音调相同,那么它就会发出应和声,这其实是一种正常的现象。琵琶自己会跟着管乐器弹奏出的燕乐‘双调’应和发声就是这种现象,跟所谓的神灵或妖魔鬼怪没任何关系,大家就不要吓唬他了。”

沈括的这番解释,并非信口开河。在这个问题上,他曾做了多次实验:在七弦琴上,有宫、商、角、徵、羽、少宫、少商七条弦。其中少宫、少商的音阶要比宫、商音阶高,但它们的音调相同。沈括把一个剪好的小纸人放在少宫弦上,他发现,当拨动宫弦时,放在少宫弦上的纸人就动了起来,但是拨动其他弦时,纸人却一动不动。用少商和商两弦做实验时,也得到同样的结果。

他接着给这位朋友解释说:“这是声音的奇妙之处,很多人不知道。因此,至今也没有人能奏出最和谐的天籁之音。”那位朋友听了,长舒一口气,众人也信服了。

为了再次证明这个现象,沈括又在不同的乐器上进行实验,最终得出的结论和他的那个朋友遇到的怪事现象一样:当一种弹奏中的乐器与一种静止的乐器的音调相同时,那个静止的乐器也会发出声响。沈括也将这现象总结为:当一个发声体发生振动时,与之频率相同的发声体也会随之振动。他将这种现象称为“应声”,也就是现代物理学中的“共振”。

在西方,共振现象是由意大利物理学家伽利略在17世纪首先描述的,沈括比他早了五六百年。虽然伽利略对共振的分析更深入,但沈括在那么早的时代就对声学现象作出研究,已经非常难得了。

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