音乐与数学

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   “do、re、mi、fa、so、la、si……”从一间教室里飘出美妙的音乐声,这是孩子们在上音乐课。
   戴着眼镜的音乐老师笑眯眯地说:“在简谱中,我们最为熟悉的音阶do~si被表示为数字1~7,休止符以0表示。在数学中,数字0~9可以组成各种各样的算式。在音乐中,1~7也能构成千变万化的乐章。”
   老师话刚说完,哈哈乐就站起来问道:“老师,数学和音乐有什么关系呢?”
   老師看着这个勤学好问的学生,温和地说:“数学和音乐当然是有关系的。音乐中音的高低、长短、节奏等都是以数学为基础的。提到数学与音乐的关系,我们所能想到的第一个有关音乐与数学的结合,也许就是这7个基本音阶了。你们想知道这些音阶是按照什么规律排列的吗?让我们回到2500年前,追随大名鼎鼎的古希腊数学家毕达哥拉斯的脚步,看看他是怎么解答的吧。”
   毕达哥拉斯是古希腊著名的数学家和哲学家。一天,他在散步时路过一家铁匠铺,铁匠铺里传出叮叮当当的打铁声,就像是打铁进行曲,声音要比别的铁匠铺更加协调、悦耳。这吸引了他的注意。他以数学家的敏感,马上开始思考:音乐由何而生,音符的高低到底由什么决定呢?于是,他走进铁匠铺仔细观察,发现这些美妙的声音原来是源于铁锤和铁砧的大小不一,故而发出的声音也不同。他拿出一把尺子量了量铁锤和铁砧的尺寸,发现它们之间存在着一种十分和谐的关系。这同时也激发了他的思考:这些音乐与和谐什么有关呢?
   毕达哥拉斯用不同的乐器做了许多的实验,发现每一个音高的高低取决于音弦的长短,而这背后藏着数学原理。他由此定义音阶:1、2、3、4、5、6、7。他还发现声音与发声体体积有着一定的比例关系。然后,他又在琴弦上做了试验,进一步发现只要按比例划分一根振动着的弦,就可以发出和谐的声音,如2∶1产生八度音,3∶2产生五度音,4∶3产生四度音等等。就这样,毕达哥拉斯在世界上第一次发现了音乐和数学的联系。
   毕达哥拉斯当年做测试时用的很可能是竖琴。竖琴是一种大型拨弦乐器,它所发出的音色空灵纯净,清澈动听,作为和声伴奏极具感染力,而独奏时又能演绎柔和优美的抒情片段。
   那为什么弦长符合这些比例时,我们会觉得音乐和谐悦耳呢?
   我们知道,声音是由振动产生的,但音的频率是按照等差数列排列的,同一根弦,其有效弦长与发音频率成反比关系。因此,当拨动一根弦时,各等分点为界的弦也在各自振动,因而会产生一系列的音,而这些音之间,某些分界点产生的音连接起来会显得特别优美,我们可以说这些是泛音列中占优势的音程关系。而按照毕达哥拉斯的发现,这些纯音程的频率之比都是最简单的自然整数比。
   美的东西,总是简单而和谐。依据五度相生律产生的基础音阶构成的旋律,按照任意的方式组合,都有各自的美感,而将全部半音阶推算出来后,旋律的紧张度和动力性会得到增强,更能产生旋律之间动态的美感和张力。
   正如莱布尼茨的名言所说:“音乐是数学在灵魂中无意识的运算。”音乐正如有情绪的数学,而数学则像最纯粹的音乐,音乐与数学看似不同,实际上却有着密切的关联,它们恰似人类心中开出的两朵玫瑰。
  你知道吗?
   毕达哥拉斯还曾提出十二等程律的概念,指的是将一个八度的频率平均分成十二等分,每分相差一个半音,也就是100音分。
   明朝数学家朱载堉(yù)则是世界上首位推算并制造出十二音律乐器的人。在当时常用五声音阶“宫、商、角、徵(zhǐ)、羽”的中国,他力排众议,创造了十二音律,也就是我们现在常用的七声音阶(即由原有的五声音阶宫、商、角、徵、羽加上变徵与变宫两音而成,相当于现行简谱中的1、2、3、4、5、6、7)。他用竹子制造而成的36根律管,分别为倍率管12根,正律管12根与半律管各12根;其口径、长度都经由严密的测算得出,是世界上最早的十二音律乐器。
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