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你以為你背的是古詩?其實是公式和原理!

由 科學加 發表于 藝術2021-09-21

簡介在這一點上科學家與詩人是相通的,當他們看到科學的內容和現象也會想到詩歌

光電池對入射光的波長有什麼要求

當詩詞遇見科學,會迸發出怎樣的火花?“網紅”物理老師陳徵用一首首悠揚的詩詞和科學的理性,帶你認識“大自然的AB面”。

整理/記者 劉辛味 編輯/劉昭

新媒體編輯/呂冰心

【講座專家】

你以為你背的是古詩?其實是公式和原理!

陳徵

北京交通大學國家級物理實驗教學示範中心教師,第21屆茅以升青年科技獎獲得者

“再看看這個點吧。他就在那裡。那就是我們的家,我們的一切。在它上面,有你愛的、認識的和聽說過的每一個人。歷史上的每一個人,都在它上面度過了自己的一生。所有的歡樂和痛苦,所有言之鑿鑿的宗教、意識形態和經濟思想,所有的獵人和強盜,所有的英雄和懦夫,所有文明的創造者和毀滅者,所有的皇帝和農夫,所有熱戀中的情侶,所有的父母、孩子、發明者和探索者,所有的精神導師,所有的政治家,所有的超級巨星,所有的最高領導人,所有的聖徒和罪人,從人類這個種族存在的第一天起——全都在這粒懸浮在太陽光中的塵埃上”

——卡爾·薩根

5月4日,第21屆茅以升青年科技獎獲得者、北京交通大學國家級物理實驗教學中心教師陳徵在中科館大講堂帶來一場講座,架起聯絡詩詞與科學的紐帶。

詩歌是人類最古老的藝術形式之一,人們從對事物的觀察,凝練語言,用豐富的想象抒懷情感,反映我們的精神生活。有大量描述大自然場景的詩句,尤其是我國的古詩詞中,除了感受自然之美,我們還可以換一個角度,用理性的態度來探究詩中描述的現象,讓詩詞與科學同行。

詩詞與科學是大自然的兩面

我們的學習生涯中背過不少古詩詞,同時也學習了不少科學知識,似乎兩者並沒有什麼關係,反而形成一種對立性。相對於感受詩歌之美,不少學生學習數理知識感到很吃力。

有一副對聯能很好形容這一現象。相傳北宋大文豪蘇軾在遊覽西湖時,一位侍女不小心把盛酒的錫壺掉進了水裡,蘇軾頓時來了靈感想出上聯:遊西湖,提錫壺,錫壺墜西湖,惜乎錫壺。

後人對出了不少下聯,有一個與物理學有關,堪稱經典——學物理,如霧裡,霧裡看物理,勿理物理。意思是說人們學習物理時覺得太難了,就像在霧裡看不清東西,乾脆就不學物理了。很多同學也因為覺得難而放棄了學習物理。

事實上,文科和理科的學習都對我們十分重要。另一方面,我們會想,科學與文學真的沒有交融嗎?其實從上一副對聯能發現,我們其實可以透過詩詞的方式來反映科學問題。著名物理學家,1957年諾貝爾物理學家獲得者李政道先生曾說,“科學和藝術是一枚硬幣的兩面”。這是非常美的表達,正如諾貝爾獎的獎章。詩詞與科學又何嘗不是如此?

你以為你背的是古詩?其實是公式和原理!

▲諾貝爾物理和化學獎的獎章,正面是諾貝爾的頭像,背面是象徵科學智慧的女神揭開了自然女神的面紗

科學和詩詞就是大自然這枚硬幣的兩面。科學是以客觀理性的態度觀察自然,探究自然。而文學、藝術是以感性認知體會自然,詩歌就是人的感性體驗。我們讀詩時,主要體會詩中的意境,想象出描繪的場景,再感受詩人的情緒,所謂“思飄雲霧動, 律中鬼神驚”。

當我們腦海中已經構建出這幅影象後,能否再靜下心來,再理性的思考“為什麼”,這種理性的思考能幫助我們更好的瞭解現實世界。下面我們看看,當詩歌遇見科學,我們能看到什麼。

半畝方塘一鑑開,反射定律中間在

宋代名家朱熹在“觀書”後,借用了自然美景來抒發他想表達的深刻哲理,寫下《觀書有感》:

半畝方塘一鑑開,天光雲影共徘徊。

問渠那得清如許?為有源頭活水來。

其中,“鑑”是鏡子的意思。把水面比成鏡子的古詩很多,再比如唐代劉禹錫的《望洞庭》:

湖光秋月兩相和,潭面無風鏡未磨。

遙望洞庭山水翠,白銀盤裡一青螺。

除了美好的意象,我們也可以對“鏡子”進行理性的探究。理工男們可能看到了“三線共面,兩線分居,兩角相等”——光的反射定律。

我國古代很早就使用了鏡子,在公元前300多年的春秋戰國時期,墨子就對鏡子的基本原理做了解釋。除了一般的平面鏡,漢代時期出現了凹面鏡“陽燧”,古人可以透過凹面鏡聚焦陽光,點燃乾草取火。如今奧運會取聖火依然在用這一古老的方法。

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朝辭白帝彩雲間,陽光色散正當前

當我們看到朝霞時,很容易能想到大詩人李白的《早發白帝城》:

朝辭白帝彩雲間,千里江陵一日還。

兩岸猿聲啼不住,輕舟已過萬重山。

你以為你背的是古詩?其實是公式和原理!

還有白居易的《憶江南》:

江南好,風景舊曾諳。日出江花紅勝火,春來江水綠如藍,能不憶江南?

為什麼朝霞是紅色的,為什麼中午沒有?而到了晚上,晚霞又變成了紅色?

這其實也是光學問題。平常我們所說的白光其實是由連續不斷的不同顏色的光組成的,當光從太陽發出抵達地球的大氣層時,它會與大氣層中的微小顆粒發生碰撞。可以把陽光想象成一個個小球,這些小球碰到大氣的小顆粒後就四散開來,我們把這種碰到小顆粒後彈開的現象稱作散射。當遇到的顆粒非常小時,藍色光(波長較短)就比較容易被彈開,也就是顆粒的尺度小於入射光的波長時,我們叫它瑞利散射。

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你以為你背的是古詩?其實是公式和原理!

其實我們每天都能感受到瑞利散射。每天抬頭仰望天空是藍色的,正是因為空氣分子非常小,太陽光遇到這些分子後,其中的藍光特別容易被彈開,彈到了我們的眼睛裡,於是我們就看到了天是藍色的。海水的藍色也是同樣道理,水分子很小,光與水分子相互作用時也是藍光散射較強,因此看到了藍色的海水。

當早晨和傍晚時,太陽光是傾斜入射,在大氣中“走過的路”就比較長,各種顏色的光就開始散射,隨著光不斷往前跑,這裡面的藍色光更容易被散射掉,藍光在光的行程中都被彈走了,只剩下紅橙黃這些波長較長的光到達了我們的眼睛裡,因此我們看到朝霞和晚霞是紅的。

當然也有很多特殊情況,當散射的顆粒非常大時,比如3微米以上的時候,所有顏色的光就被均勻的彈開,均勻的被散射的結果就是看起來還是白色的。每天看到的白雲就是由於這種大尺寸的散射,我們叫它幾何光學散射。

在瑞利散射和幾何光學散射兩者之間,還有一種居中的顆粒,這時發生的散射被稱之為米散射。我們會在沙塵暴時看到這種情況,沙塵暴時看到太陽就會覺得冷冰冰的,太陽的顏色變得蒼白髮藍。這時就變成了“日出江花藍似冰”。

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▲好奇號拍下的火星日出

你以為你背的是古詩?其實是公式和原理!

▲勇氣號拍下的火星日落。火星上的浮塵非常重,日出和日落就會發藍

在《憶江南》中還有一個小問題,為什麼是“綠如藍”?這裡會涉及一點植物學知識,詩中的藍是指蘭草,古代人們所用的染料只能從礦物或動植物中獲得,我們從植物裡面獲得一種名為靛青的染料,能提取出這種染料的植物都被稱為蘭草。春來江水綠如藍,實際上是指江水的顏色是綠的,猶如鮮豔嫩綠的蘭草一樣。

方輝竟戶入,小孔成像來

偶爾我們還會看到一種有趣的自然現象,在兩個樓之間非常窄的縫隙之間,會看到一個非常圓的太陽,其實這就是小孔成像。也有古詩中描述了這種現象,比如南北朝詩人沈約的《應王中丞思遠詠月詩》:

月華臨靜夜,夜靜滅氛埃。

方暉竟戶入,圓影隙中來。

高樓切思婦,西園游上才。

網軒映珠綴,應門別錄苔。

洞房殊未曉,清光信悠哉。

“方輝竟戶入,圓影隙中來”,描述的就是在月光從門簾中進來看到了圓形的光亮。我們過去常用這樣的門簾,它是由竹條串成的,中間有一道道的縫。其實這就是一個小孔成像現象。這種現象早在《墨經》中就已經記載,公元前500年,墨子就進行了小孔成像實驗。

你以為你背的是古詩?其實是公式和原理!

小孔成像的科學解釋其實就是光的直線傳播。最能表現光是直線傳播的現象就是影子的形成。與影子相關的詩非常多,如蘇軾《花影》:

重重疊疊上瑤臺,幾度呼童掃不開。

剛被太陽收拾去,又叫明月送將來。

還有李白的《月下獨酌》:“舉杯邀明月,對影成三人”,等等。

《墨經》記載了影子是如何形成的,這也是世界上最早解釋影子的書籍。“景,光至,景亡;若在,盡古息。”意思是說,光線照到的地方影子就不會存在。如果光線存在,永遠不會產生影子。

今天人們會覺得這是非常簡單的常識。但與墨子同時代的,西方哲人是如何看待影子的呢?對影子的解釋,有更本質的問題,就是我們是如何看到東西的。

公元前500年,東西方都發展出了璀璨的文明,現在哲學家這一時期稱之為軸心時代(Axis Age)。那時西方出現了柏拉圖、亞里士多德、畢達哥拉斯等偉大的哲學家。柏拉圖就認為是人眼發出了“視線”到達物體,畢達哥拉斯則認為人眼發出不見的“觸鬚”,“看”到了物體。

但如果按他們的觀點,這件事似乎是和光沒有關係的,即使是黑夜也能夠看清東西,那又如何形成影子?這些睿智的賢者當時沒有想通這件事,而我國墨子就想到了光是沿直線傳播,光照不到的地方就是影子。

潭清疑水淺,折射舞蝶翩

古詩中體現光學知識的內容很多。唐代詩人儲光羲的《釣魚灣》:

垂釣綠灣春,春深杏花亂。

潭清疑水淺,荷動知魚散。

日暮待情人,維舟綠楊岸。

“潭清疑水淺”這一句展示了一個非常常見的景象,而這裡蘊含的科學知識就是光的折射。雖然光是沿直線傳播,但光經過水麵發生了折射,實際的水深比看到的更深。這句詩也能反映出詩人實際上對自然的觀察是非常細緻入微的。

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光的折射在生活中也有非常多的應用,前面提到取火,不僅可用凹面鏡的反射,也可以利用凸透鏡的折射。《管子·侈靡》記載“珠者陰之陽也,故勝火”。《淮南萬畢術》記載“削冰令圓,舉以向日,以艾承其影,則火生”。這裡面所說的就是用透明的珠子,或者把冰削成圓弧形,形成了一種凸透鏡,對著太陽,光的折射會把光聚成一點,從而生火。 還有西晉《博物志》、唐代王秦的《外臺秘要》中都有以水晶珠或冰透鏡取火的記載。用冰取火體現了我國古人的智慧。

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更有意思的是“削冰”。古人不只是用刀削,他們做一個水壺,水壺底是凹面,在水壺中放入熱水。再拿一塊冰放在水壺底面上轉,冰就被燙成了一塊凸面的冰。

關於光的折射,古人還有一個有趣的發明——蝴蝶杯。其實它就是一個酒杯,杯腳內固定一隻“蝴蝶”(模具),只要受到振動,蝴蝶的翅膀還可以振動。在杯底中央嵌裝一顆珠子(圖(b)中的B),它的作用相當於一個凸透鏡。杯中無酒時,彩蝶的位置在凸透鏡的焦點以外,它的成像很大並且在杯外很遠的地方,人眼一般看不清楚究竟杯內是什麼。

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杯中斟上酒以後,酒的截面中間薄、旁邊厚,因此酒成了一個凹透鏡。凸透鏡與凹透鏡合在一起成為一個複合凸透鏡。因為凹透鏡具有發散的性質,所以複合凸透鏡的焦距變長,這樣,彩蝶便落在複合凸透鏡的焦點之內,彩蝶透過複合凸透鏡造成放大的虛像圖(d),所以人眼能清楚地看到放大了的蝴蝶。晃動杯子,還能看到蝴蝶的翅膀舞動。

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孤帆遠影碧空盡,天圓地方不可信

除了光學知識,古詩中描述的有些自然現象,叫人很難一下發現它蘊含的本質問題,但細細品讀,卻又讓人拍案叫絕。比如這首著名的《黃鶴樓送孟浩然之廣陵》:

故人西辭黃鶴樓,煙花三月下揚州。

孤帆遠影碧空盡,唯見長江天際流。

為何是孤帆遠影碧空盡,而不是“孤船”呢?長久以來,大家學習這句詩時都不會意識到這裡面蘊含的一個深刻道理——地球是圓的。

古希臘人很早就發現了地球是圓的,希臘是一塊貧瘠的土地,但它們的航海非常發達,人們站在港口就很容易發現遠處的船回來時,總是帆先露出來。

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古希臘數學家埃拉托色尼(Eratosthenes)用非常巧妙的方法測出了地球的周長,與現代值十分接近。他是如何測量的呢?

首先,他在亞歷山大豎起木棍,觀察地面上的影子,就像我國古代的日晷,可以測出木棍和其影子的長度,就可以測得陽光與垂直的木棍之間的夾角。而另一個城市阿斯旺(在北迴歸線上)有一口井,井口很小。夏至那天,當太陽能照亮井底時,說明太陽在阿斯旺的正上方。若認為太陽光都是平行入射,就可以認為入射光和木棍的夾角和兩地到地心延長線的夾角相等,這一角度約為7。2°。 他也知道亞歷山大和阿斯旺兩地的距離,就是圓的弧長,從而就能得到地球的周長。

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還有一個常識能反映地球是圓的,唐王之渙的《登鸛雀樓》裡也寫了:

白日依山盡,黃河入海流。

欲窮千里目,更上一層樓。

站得高看得遠,但如果按我國古代的傳統天圓地方的思想,大地是平的,那看到的遠近和自己位置的高低是沒有關係的。所以“更上一層樓”背後蘊含的就是,地球是圓的。如果你站的越低,你的視線和地球圓弧的切點就會越低。所以當坐飛機到足夠高度時,不但能看的更遠,甚至還能看到地球的弧度。人造衛星也是同樣道理,有高軌道衛星和地軌道衛星,高軌道衛星就比低軌道衛星覆蓋的地球表面積大。

野渡無人舟自橫,平衡狀態不用碰

大自然中還有一個神奇的現象,與物質的最終狀態有關係。唐韋應物的《滁州西澗》:

獨憐幽草澗邊生,上有黃鸝深樹鳴。

春潮帶雨晚來急,野渡無人舟自橫。

最後這一句很有意思,河水裡拴了一條船,沒人管的話最後就會橫在水面,為什麼是舟自橫?這一現象也不止一個人看到,宋朝寇準的《春日登樓懷歸》中描述:

野水無人渡,孤舟盡日橫。

《三國演義》中也有類似的描述,原文第四十九回《七星壇諸葛祭風,三江口周瑜縱火》中寫道,諸葛亮借東風後,與前來接應的趙雲逃跑,趙雲把追趕的徐盛的船帆射下:

射斷徐盛船上篷索。那篷墮落下水,其船便橫。

系船帆的繩索斷了,船帆落入水中,也就沒有動力,船就橫在了水中。實際上,這個現象表現的是穩定平衡和不穩定平衡的問題。

我們生活中有三種平衡,穩定平衡、不穩定平衡和隨遇平衡。穩定平衡是指在被移動離開它的平衡位置後,仍試圖恢復其原來位置從而恢復到原來的平衡狀態。不穩定平衡是指,受到某種外界微小的作用,如果物體稍有偏離就不能恢復到原來的平衡狀態。隨遇平衡是說不隨時間和座標變化而改變。

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▲根據軟體模擬,船“順”是不穩定平衡,“橫”是穩定平衡

世界上的所有東西,最終都會盡可能地停在最穩定的地方。對船而言,透過模擬,發現船有兩個平衡狀態。當船順在水裡時,處於一種平衡狀態,橫在水裡時也處於一種平衡狀態。但是當船受到力的作用,與水有一點角度時,船就會旋轉,偏離了原來的位置,但最終會橫在水中。因此“順”是不穩定平衡,“橫”是穩定平衡,不碰它自然就回到了穩定平衡狀態。

值得一提的是,19世紀世界最頂尖的物理學家之一,1904年第四屆諾貝爾物理學獎得主瑞利勳爵,用來測定平面行波中的聲質點速度,建立起了聲壓的測量神器“瑞利盤”,就利用了類似的原理。

科學家也是詩人

1990年2月14日,旅行者1號探測器拍下了著名的“暗淡藍點(Pale Blue Dot)”,這是在它完成首要任務之際,把相機轉回頭拍下了地球,還拍下了太陽系的其他行星,組成了一副太陽系全家福。而提出這個要求的人,就是美國著名的天文學家、科普作家卡爾·薩根。由此他還寫了下經典科普著作《暗淡藍點》,講述縱觀古今人類對宇宙的探索,展望未來人類進入太空家園的美好願景。

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他的書中寫下了看到這張照片後如詩一般的感悟——正是本文開篇。當詩人有了特殊的感悟,他們會把對自然觀察的感受寫下,格律的語言,簡潔的文字,悠遠的意境,接著一首又一首美妙的詩歌就出現了。在這一點上科學家與詩人是相通的,當他們看到科學的內容和現象也會想到詩歌。

科學史大家戴念祖先生在紀念兩彈一星元勳彭桓武先生的學術報告會上,以唐代詩人岑參的《經火山》作為結尾。詩中描繪我國西北火焰山的語句“赤焰燒雲,炎氛蒸空。不知陰陽炭,何獨燒此中”,令他想到在西北荒漠上兩彈試驗成功的場景,引發共鳴。

這樣的例子還有許多,楊振寧先生在評價量子力學奠基人之一,英國物理學家保羅·狄拉克(Paul Dirac)建立的相對論性量子力學方程時,引用了唐代高適《答侯少府》中的兩句描述這一傑出貢獻:“性靈出永珍,風骨超常倫”。

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▲狄拉克

1928年,狄拉克寫出了一個優美的方程,但當時他發現方程中一項“負能”難以用當時的理論來解釋,而又不想破壞方程。最終他大膽引入了“反粒子理論”來解釋“負能”現象,在當時受到了很多嘲弄與批評,直至1932年美國物理學家安德森(Carl Anderson)發現了電子的反粒子(正電子)後,科學家才逐漸認識到反物質概念和反粒子理論又是物理學發展的一座里程碑。

而這句詩前半句表現狄拉克方程包羅永珍,“出”字描述了狄拉克的靈感尤為傳神,後半句又能形容狄拉克不顧當時的物理學大家如玻爾、海森堡、泡利等人的冷嘲熱諷,堅持他的理論,正是“風骨超常倫”。

很多科學家同時也是詩人。我國不少科學家對古詩詞有深厚造詣,而將科學與文學結合也不分國界。電磁學理論的集大成者,英國物理學家麥克斯韋的一生都與詩歌相伴,善於用詩歌的語言描述科學問題。1981年諾貝爾化學獎得主霍夫曼(Roald Hoffmann)不僅有極高的學術造詣,同時也是一名傑出的詩人,出版過多本詩集,他一直希望能將科學與藝術能交融統一。

在更廣義層面,能構起科學與人文藝術橋樑的科學家,還有專門的獎項,每年洛克菲勒大學會頒發劉易斯·托馬斯獎(Lewis Thomas Prize),獲獎者被稱為“詩人科學家”。

這顯然表明,我們可以更全面的看待世界。況且,所謂不讀詩無以言,擁有詩詞的功底,也能映襯我們的文化氣質。詩詞是觀察大自然的一個視窗,科學與詩詞分別以理性與感性解讀自然,它們分別是大自然的AB面。

最後,我將自己的一首詩作為結尾。將物理學發展至今仍未解決的問題統一問題而作,

物理

力熱原磁光電聲,相對量子各傳承。弦未唱罷膜登場,四大何日歸一宗。

(本文整理自2019年5 月4日陳徵於中國科技館的講座《大自然 的AB面——當詩詞遇見科學》,由記者改編而成,已經陳徵稽核。)

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出品:科普中央廚房

監製:北京科技報 | 科學加客戶端

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