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诗词中的“公式”

诗歌是人类最古老的艺术形式之一,人们从对事物进行观察,凝练语言,用丰富的想象抒怀情感,反映我们的精神生活。有大量描述大自然场景的诗句,尤其是我国的古诗词中,除了感受自然之美,我们还可以换一个角度,用理性的态度来探究诗中描述的现象,让诗词与科学同行。


  诗词与科学是大自然的两面


我们的学习生涯中背过不少古诗词,同时也学习了不少科学知识,似乎两者并没有什么关系,反而形成一种对立性。相对于感受诗歌之美,不少学生学习数理知识时感到很吃力。

有一副对联能很好地形容这一现象。相传北宋大文豪苏轼在游览西湖时,一位侍女不小心把盛酒的锡壶掉进了水里,苏轼顿时来了灵感想出上联:游西湖,提锡壶,锡壶坠西湖,惜乎锡壶。

后人对出了不少下联,有一个与物理学有关,堪称经典——学物理,如雾里,雾里看物理,勿理物理。意思是说人们学习物理时觉得太难了,就像在雾里看不清东西,干脆就不学物理了。很多同学也因为觉得难而放弃了学习物理。

事实上,文科和理科的学习对我们都十分重要。另一方面,我们会想,科学与文学真的没有交融吗?其实从上一副对联能发现,我们其实可以通过诗词的方式来反映科学问题。著名物理学家,1957年诺贝尔物理学家获得者李政道先生曾说,“科学和艺术是一枚硬币的两面”。这是非常美的表达,正如诺贝尔奖的奖章。诗词与科学又何尝不是如此?

科学和诗词就是大自然这枚硬币的两面。科学是以客观理性的态度观察自然,探究自然。而文学、艺术是以感性认知体会自然,诗歌就是人的感性体验。我们读诗时,主要体会诗中的意境,想象出描绘的场景,再感受诗人的情绪,所谓“思飘云雾动,律中鬼神惊”。

当我们脑海中已经构建出这幅图像后,能否再静下心来,再理性地思考“为什么”,这种理性的思考能帮助我扪更好地了解现实世界。下面我们看看,当诗歌遇见科学,我们能看到什么。


半亩方塘一鉴开,天光云影共徘徊。

问渠那得清如许?为有源头活水来。

——《观书有感》([宋]朱熹)


湖光秋月两相和,潭面无风镜未磨。

遥望洞庭山水翠,白银盘里一青螺。

——《望洞庭》([唐]刘禹锡)


宋代名家朱熹在“观书”后,借用了自然美景来抒发他想表达的深刻哲理,写下了这首《观书有感》。其中,“鉴”是镜子的意思。唐代刘禹锡的《望洞庭》也将水面比成了镜子。

除了美好的意象,我们也可以对“镜子”进行理性的探究。理工男们可能看到了“三线共面,两线分居,两角相等”——光的反射定律。

我国古代很早就使用了镜子,在公元前300多年的春秋战国时期,墨子就对镜子的基本原理做了解释。除了一般的平面镜,汉代时期出现了凹面镜“阳燧”,古人可以通过凹面镜聚焦阳光,点燃干草取火。如今奥运会取圣火依然在用这一古老的方法。


月华临静夜,夜静灭氛埃。

方晖竟户入,圆影隙中未。

——《应王中丞思远咏月诗》([南北朝]沈约)


偶尔我们还会看到一种有趣的自然现象,在两个楼之间非常窄的缝隙之间,会看到一个非常圆的太阳,其实这就是小孔成像。南北朝诗人沈约的《应王中丞思远咏月诗》就描述了这种现象。

“方辉竟户入,圆影隙中来”,描述的就是在月光从门帘中进来时看到了圆形的光亮。我们过去常用这样的门帘,它是由竹条串成的,中间有一道道的缝。其实这就是一个小孔成像现象。

这种现象早在《墨经》中就已经记载,公元前500年,墨子就进行了小孔成像实验,这也是世界上最早解释影子的书籍。“景,光至,景亡;若在,尽古息。”意思是说,光线照到的地方影子就不会存在。如果光线存在,永远不会产生影子。

今天人们会觉得这是非常简单的常识。但与墨子同时代的西方哲人是如何看待影子的呢?对影子的解释,有更本质的问题,就是我们是如何看到东西的。

公元前500年,东西方都发展出了璀璨的文明,现在哲学家这一时期称之为轴心时代(AxisAge)。那时西方出现了柏拉图、亚里士多德、毕达哥拉斯等伟大的哲学家。柏拉图就认为是人眼发出了“视线”到达物体,毕达哥拉斯则认为人眼发出不见的“触须”,“看”到了物体。

但如果按他们的观点,这件事似乎是和光没有关系的,即使是黑夜也能够看清东西,那又如何形成影子?这些睿智的贤者当时没有想通这件事,而我国墨子就想到了光沿直线传播,光照不到的地方就是影子。


独怜幽草涧边生,上有黄鸸深树鸣。

春潮带雨晚来急,野渡无人舟自横。

——《滁州西涧》([唐]韦应物)


最后这一句很有意思,河水里拴了一条船,没人管的话最后就会横在水面,为什么是舟自横?这是大自然中一个很有趣的现象,与物质的最终状态有关系。

我们生活中有三种平衡,稳定平衡、不稳定平衡和随遇平衡。稳定平衡是指在被移动离开它的平衡位置后,仍试图恢复其原来位置从而恢复到原来的平衡状态。不稳定平衡是指,受到外界某种微小的作用,如果物体稍有偏离就不能恢复到原来的平衡状态。随遇平衡是说不随时间和坐标变化而改变。

世界上的所有东西,最终都会尽可能地停在最稳定的地方。对船而言,通过模拟,发现船有两个平衡状态。当船顺在水里时,处于一种平衡状态,横在水里时也处于一种平衡状态。但是当船受到力的作用,与水有一点角度时,船就会旋转,偏离原来的位置,但最终会横在水中。因此“顺”是不稳定平衡,“横”是稳定平衡,不碰它自然就会回到稳定平衡状态。

值得一提的是,19世纪世界最顶尖的物理学家之一,1904年第四届诺贝尔物理学奖得主瑞利勋爵,用来测定平面行波中的声质点速度,建立起了声压的测量神器“瑞利盘”,就利用了类似的原理。


垂钓绿湾春,春深杏花乱。

潭清疑水浅,荷动知鱼散。

日暮待情人,维舟绿杨岸。

——《钓鱼湾》([唐]储光羲)


“潭清疑水浅”这一句展示了一个非常常见的景象,而这里蕴含的科学知识就是光的折射。虽然光是沿直线传播,但光经过水面发生了折射,实际的水深比看到的更深。这句诗也能反映出诗人实际上对自然的观察是非常细致入微的。

光的折射在生活中也有非常多的应用,前面提到取火,不仅可用凹面镜的反射,也可以利用凸透镜的折射。《管子·侈靡》记载“珠者阴之阳也,故胜火”。《淮南万毕术》记载“削冰令圆,举以向日,以艾承其影,则火生”。这里面所说的就是用透明的珠子,或者把冰削成圆弧形,形成了一种凸透镜,对着太阳,光的折射会把光聚成一点,从而生火。还有西晋《博物志》、唐代王秦的《外台秘要》中都有以水晶珠或冰透镜取火的记载。用冰取火体现了我国古人的智慧。

更有意思的是“削冰”。古人不只是用刀削,他们做一个水壶,水壶底是凹面,在水壶中放入热水。再拿一块冰放在水壶底面上转,冰就被烫成了一块凸面的冰。

关于光的折射,古人还有一个有趣的发明——蝴蝶杯。其实它就是一个酒杯,杯脚内固定一只“蝴蝶”(模具),只要受到振动,蝴蝶的翅膀就会振动。在杯底中央嵌装一颗珠子,它的作用相当于一个凸透镜。杯中无酒时,彩蝶的位置在凸透镜的焦点以外,它的成像很大并且在杯外很远的地方,人眼一般看不清楚杯内究竟是什么。

杯中斟上酒以后,酒的截面中间薄、旁边厚,因此酒成了一个凹透镜。凸透镜与凹透镜合在一起成为一个复合凸透镜。因为凹透镜具有发散的性质,所以复合凸透镜的焦距变长,这样,彩蝶便落在复合凸透镜的焦点之内,彩蝶通过复合凸透镜造成放大的虚像图,所以人眼能清楚地看到放大了的蝴蝶。晃动杯子,还能看到蝴蝶的翅膀舞动。

除了光学知识,古诗中描述的有些自然现象,叫人很难一下发现它蕴含的本质问题,但细细品读,却又让人拍案叫绝。

比如这首著名的《黄鹤楼送孟浩然之广陵》为何是孤帆远影碧空尽,而不是“孤船”呢?长久以来,大家学习这句诗时都不会意识到这里面蕴含的一个深刻道理——地球是圆的。


故人西辞黄鹤楼,烟花三月下扬州。

孤帆远影碧空尽,唯见长江天际流。

——《黄鹤楼送孟浩然之广陵》([唐]李白)


古希腊人很早就发现了地球是圆的,希腊是一块贫瘠的土地,但它们的航海非常发达,人们站在港口就很容易发现远处的船回来时,总是帆先露出来。

古希腊数学家埃拉托色尼(Eratosthenes)用非常巧妙的方法测出了地球的周长,与现代值十分接近。他是如何测量的呢?

首先,他在亚历山大竖起木棍,观察地面上的影子,就像我国古代的日晷,可以测出木棍和其影子的长度,就可以测得阳光与垂直的木棍之间的夹角。而另一个城市阿斯旺(在北回归线上)有一口井,井口很小。夏至那天,当太阳能照亮井底时,说明太阳在阿斯旺的正上方。若认为太阳光都是平行入射,就可以认为入射光和木棍的夹角和两地到地心延长线的夹角相等,这一角度约为7.2°。他也知道亚历山大和阿斯旺两地的距离,就是圆的弧长,从而就能得到地球的周长。


白日依山尽,黄河入海流。

欲穷千里目,更上一层楼。

——《登鹳雀楼》([唐]王之涣)


还有一个常识能反映地球是圆的,唐王之涣的《登颧雀楼》里体验了出来。站得高看得远,但如果按我国古代的传统天圆地方的思想,大地是平的,那看到的远近和自己位置的高低是没有关系的。所以“更上一层楼”背后蕴含的就是,地球是圆的。如果你站得越低,你的视线和地球圆弧的切点就会越低。所以当坐飞机到足够高度时,不但能看得更远,甚至还能看到地球的弧度。人造卫星也是同样道理,有高轨道卫星和地轨道卫星之分,高轨道卫星就比低轨道卫星覆盖的地球表面积大。


朝辞白帝彩云间,千里江陵一日还。

两岸猿声啼不住,轻舟已过万重山。

——《早发白帝城》([唐]李白)


当我们看到朝霞时,很容易联想到这两首著名的诗词。为什么朝霞是红色的,为什么中午没有?而到了晚上,晚霞又变成了红色?

这其实也是光学问题。平常我们所说的白光其实是由连续不断的不同颜色的光组成的,当光从太阳发出抵达地球的大气层时,它会与大气层中的微小颗粒发生碰撞。可以把阳光想象成一个个小球,这些小球碰到大气的小颗粒后就四散开来,我们把这种碰到小颗粒后弹开的现象称作散射。当遇到的颗粒非常小时,蓝色光(波长较短)就比较容易被弹开,也就是颗粒的尺度小于入射光的波长时,我们叫它瑞利散射。

其实我们每天都能感受到瑞利散射。每天抬头仰望天空是蓝色的,正是因为空气分子非常小,太阳光遇到这些分子后,其中的蓝光特别容易被弹开,弹到了我们的眼睛里,于是我们就看到了天是蓝色的。海水的蓝色也是同样道理,水分子很小,光与水分子相互作用时也是蓝光散射较强,因此看到了蓝色的海水。

早晨和傍晚时,太阳光是倾斜入射,在大气中“走过的路”就比较长,各种颜色的光就开始散射,随着光不断往前跑,这里面的蓝色光更容易被散射掉,蓝光在光的行程中都被弹走了,只剩下红授黄这些波长较长的光到达了我们的眼睛里,因此我们看到朝霞和晚霞是红的。

当然也有很多特殊情况,当散射的颗粒非常大时,比如3微米以上的时候,所有颜色的光就被均匀地弹开,均匀地被散射的结果就是看起来还是白色的。每天看到的白云就是由于这种大尺寸的散射,我们叫它几何光学散射。

在瑞利散射和几何光学散射两者之间,还有一种居中的颗粒,这时发生的散射被称之为米散射。我们会在沙尘暴时看到这种情况,沙尘暴时看到太阳就会觉得冷冰冰的,太阳的颜色变得苍白发蓝。这时就变成了“日出江花蓝似冰”。


江南好,风景旧曾谙。

日出江花红胜火,表来江水绿如蓝,能不忆江南?

——《忆江南》([唐]白居易)


在《忆江南》中还有一个小问题,为什么是“绿如蓝”?这里会涉及一点植物学知识,诗中的蓝是指兰草,古代人们所用的染料只能从矿物或动植物中获得,我们从植物里面获得一种名为靛青的染料,能提取出这种染料的植物都被称为兰草。春来江水绿如蓝,实际上是指江水的颜色是绿的,犹如鲜艳嫩绿的兰草一样。


科学家也是诗人


物理

力热原磁光电声,相对量子各传承。

弦未唱罢膜登场,四大何日归一宗。


1990年2月14日,旅行者1号探测器拍下了著名的“暗淡蓝点(Pale Blue Dot)”,这是在它完成首要任务之际,把相机转回头拍下了地球,还拍下了太阳系的其他行星,组成了一幅太阳系全家福。而提出这个要求的人,就是美国著名的天文学家、科普作家卡尔·萨根。由此他还写下了经典科普著作《暗淡蓝点》,讲述纵观古今人类对宇宙的探索,展望未来人类进入太空家园的美好愿景。

他的书中写下了看到这张照片后如诗一般的感悟。当诗人有了特殊的感悟,他们会把对自然观察的感受写下,格律的语言,简洁的文字,悠远的意境,接着一首又一首美妙的诗歌就出现了。在这一点上科学家与诗人是相通的,当他们看到科学的内容和现象时也会想到诗歌。

科学史大家戴念祖先生在纪念两弹一星元勋彭桓武先生的学术报告会上,以唐代诗人岑参的《经火山》作为结尾。诗中描绘我国西北火焰山的语句“赤焰烧云,炎氛蒸空。不知阴阳炭,何独烧此中”,令他想到在西北荒漠上两弹试验成功的场景,引发共鸣。

这样的例子还有许多,杨振宁先生在评价量子力学奠基人之一,英国物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)建立的相对论性量子力学方程时,引用了唐代高适《答侯少府》中的两句描述这一杰出贡献:“性灵出万象,风骨超常伦”。

1928年,狄拉克写出了一个优美的方程,但当时他发现方程中一项“负能”难以用当时的理论来解释,而又不想破坏方程。最终他大胆引入了“反粒子理论”来解释“负能”现象,在当时受到了很多嘲弄与批评,直至1932年美国物理学家安德森(CarlAnderson)发现了电子的反粒子(正电子)后,科学家才逐渐认识到反物质概念和反粒子理论又是物理学发展的一座里程碑。

而这句诗前半句表现狄拉克方程包罗万象,“出”字描述了狄拉克的灵感尤为传神,后半句又能形容狄拉克不顾当时的物理学大家如玻尔、海森堡、泡利等人的冷嘲热讽,坚持他的理论,正是“风骨超常伦”。

很多科学家同时也是诗人。我国不少科学家对古诗词有深厚造诣,而将科学与文学结合也不分国界。电磁学理论的集大成者,英国物理学家麦克斯韦的一生都与诗歌相伴,善于用诗歌的语言描述科学问题。1981年诺贝尔化学奖得主霍夫曼(Roald Hoffmann)不仅有极高的学术造诣,同时也是一名杰出的诗人,出版过多本诗集,他一直希望能将科学与艺术交融统一。

在更广义层面,能构建起科学与人文艺术桥梁的科学家,还有专门的奖项,每年洛克菲勒大学会颁发刘易斯·托马斯奖(Lewis Thomas Prize),获奖者被称为“诗人科学家”。

这显然表明,我们可以更全面地看待世界。况且,所谓不读诗无以言,拥有诗词的功底,也能映衬我们的文化气质。诗词是观察大自然的一个窗口,科学与诗词分别以理性与感性解读自然,它们分别是大自然的AB面。

 

讲座专家:陈征北京交通大学国家级物理实验教学示范中心教师,第21届茅以升青年科技奖获得者

(本文整理自2019年5月4日陈征于中国科技馆的讲座《大自然的AB面——当诗词遇见科学》)



来源:《北京科技报》2019-07-01
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