内容概述
毕达哥拉斯发现音程取决于简单的数字比:在相同张力下,同种琴弦的长度比为 2:1 时产生八度,3:2 时产生五度,4:3 时产生四度。这些结果被认为是最早记录在案的数学物理事实,并促使毕达哥拉斯学派开始用科学方法研究音阶。故事还记述了一个广为流传的传说:毕达哥拉斯路过铁匠铺,被铁锤敲击铁砧的和谐声响吸引,借锤回家称重后挂在同样粗细的琴弦上验证;但作者指出,这个故事在物理学上有重大漏洞,因为铁锤敲击铁砧的音调并不取决于铁锤的重量。
中文正文
36° 数学物理的第一个记录
据说毕达哥拉斯有一个关于数字的惊人发现:音程依赖于简单的数字比。就是说,毕达哥拉斯发现,在相同张力下的同样的琴弦,8 度音程的长度应该是 2 比 1,5 度音程为 3 比 2,4 度音程为 4 比 3。这些结果显然是最早的数学物理事实,据说,它们启发了毕达哥拉斯对音阶的研究。
13 中国人似乎更早就发现了音律与弦长的关系。成书于战国时期的《管子·地员篇》记载了“三分损益法”,即根据一基本音高的弦长,然后通过损(乘以 2/3)或益(乘以 4/3)递次得出其他四度音。这与毕氏的五度相生律不完全相同。
毕达哥拉斯的那个发现已经流传了千百年。事情是这样的:一天,毕达哥拉斯路过一家五金店,被一阵“叮当”声吸引了。四个奴隶正挥着锤轮番打击一块火红的铁。有一只铁锤的声音特别悦耳。经过一番考察,毕达哥拉斯发现,音调的高低区别在于铁锤的不同重量。他向店老板借来铁锤。他把铁锤带回家,称了重量,然后把它们悬挂在四根一样长、一样粗的铁丝上。拨动铁丝,他听出那声音原来跟铁锤打铁的声音是一样的。然后,他在铁锤上粘一小把土,让声音走调,发出跟其他三个铁锤和谐的声音。
然而,这流传多年的故事有一个大问题:铁锤打击铁砧所产生的音调与铁锤的重量无关。只要在铁匠铺多站几分钟,那些向后辈传播故事的饱学之士就会明白,整个故事在物理上是多么荒谬。
英文正文
36° The first recorded facts in mathematical physics. A remarkable discovery about numbers, claimed to have been made by Pythagoras, is the dependence of musical intervals upon simple numerical ratios. Thus Pythagoras is said to have found that for like strings under the same tension, the lengths should be 2 to 1 for the octave, 3 to 2 for the fifth, and 4 to 3 for the fourth. These results, apparently the first recorded facts in mathematical physics, are said to have led the Pythagoreans to initiate the scientific study of musical scales.
The manner of the above discovery by Pythagoras has been told repeatedly over the ages and runs as follows. While passing a blacksmith's shop one day, Pythagoras was arrested by the clang of four hammers swung in succession by four slaves pounding a piece of red-hot iron. All but one of the hammers clanged in harmony. Upon investigation, Pythagoras found that the differences in pitch of the four sounds were due to the different weights of the hammers. He persuaded the blacksmith to let him borrow the hammers for a short time. Taking the hammers home, he weighed them and then hung them individually to four strings of the same length and thickness. On plucking the strings, he noted that the emitted sounds corresponded to those made by the hammers striking the red-hot iron. By sticking a small lump of clay on the hammer responsible for the dissonance, he brought the emitted note for this hammer into harmony with the other three.
Now, curiously enough, there is a grave flaw in this often-repeated story, namely: the tone of a hammer striking a given anvil is independent of the weight of the hammer. A couple of minutes in a blacksmith's shop would have convinced any one of the erudite scholars who passed this legend on to their successors that the whole story is physically absurd.
相关题目
- 题目:无
- 提示:无
- 解答或证明:无
(原书未给出任何题目、提示或证明。)
我们可以从故事中思考什么
- 为什么相同张力下琴弦长度比 2:1、3:2、4:3 会分别对应八度、五度、四度?
- 毕达哥拉斯用铁匠铺故事解释发现的由来,但这个故事有什么物理漏洞?
- 传说与科学事实之间应该如何区分?
核心知识点讲解:音程与简单整数比
选择理由
故事从标题到正文都围绕“音程依赖于简单数字比”展开,并把它称为“最早的数学物理事实”。这一知识点把听觉经验(音高、和谐)与数值关系(2:1、3:2、4:3)直接联系起来,是理解数学与自然关系的重要入口。
概念介绍
音程指两个音高之间的距离,用频率比或弦长比来衡量。当两根弦材质、张力相同时,弦长与振动频率成反比。若长度比为简单整数比,两音同时发声时会显得和谐。
具体内容
- 基本比例:
- 八度:弦长比 2:1,频率比 2:1; - 五度:弦长比 3:2,频率比 3:2; - 四度:弦长比 4:3,频率比 4:3。
- 毕达哥拉斯音阶:以某一基音为起点,连续乘以 3/2 可生成一系列音,再按八度折叠,得到古希腊常用的音阶。
- 与传说的区别:铁砧音调实际取决于铁砧本身及敲击方式,而非铁锤重量,因此“铁匠铺故事”不能作为科学解释,只能视为文化传说。
应用场景
- 乐器调律:弦乐器、管乐器的音程设计与调音;
- 音乐理论:和声、音阶、律制研究;
- 声学工程:共鸣、频率分析与音响设计。
与生活的联系
弹奏吉他或钢琴时,不同弦长、不同按键位置产生不同音高,背后就是长度比与频率比的关系。理解这一点有助于解释为什么某些和弦听起来“和谐”,而另一些听起来“不和谐”。
主要思想方法与延伸讨论
主要思想方法
- 数形(数声)对应:用数字比描述听觉现象
- 科学史批判:区分历史传说与可验证的物理事实
- 比例推理:从简单整数比出发建立音阶体系
延伸讨论
- 中国古代“三分损益法”与毕达哥拉斯五度相生律有何异同?
- 如何用实验验证弦长比与音程的关系?
- 你还知道哪些被后人质疑的古代科学传说?