“夜半钟声”的科学之美

日期:2021-08-09 16:14

唐代诗人张继的《枫桥夜泊》是一首脍炙人口的绝句。

“月落乌啼霜满天”诗的首句,写了月落、乌啼、霜满天三种与午夜有密切关连的景象。月落写所见,乌啼写所闻,霜满天写所感,水乡秋夜的幽寂清冷氛围又和谐地与诗人的孤孑清寥感受统一在一起。

诗的第二句“江枫渔火对愁眠”,写了岸边的枫叶、江心的渔火,构成的图景引发出诗人心绪不佳的愁情。枫叶,成了深秋寒凉、一年将尽的象征;渔火,使人想起渔家孤寂冷落、飘泊不定的生活 。“对愁眠”概括了诗人和舟外的景物之间一种无言的交融和契合。

“姑苏城外寒山寺,夜半钟声到客船”,“夜半钟声”就成为表达诗人内心深处难以言传感受的神来之笔,有了寒山寺的夜半钟声,“枫桥夜泊”之神韵才能活灵活现地表现出来。

然而这神来之笔却是在科学原理的指引下才得以实现的。声音是由于振动而产生的,它的传播是依赖介质的。振动的物体能使邻近的空气分子振动,这些分子又引起它们邻近的空气分子振动,从而产生声音,声音以声波的形式传递。由于分子振动产生的声波的方向与波传递的方向相同,所以是一种纵波。没有空气的空间里不可能有声波。声音不仅可在空气内传递,也可在水、土、金属等物体内传递。这些物体是架在发声物体和我们的耳朵之间的桥梁,声音正是通过这些物体才传到我们耳朵中来的。假如在发声物体与我们耳朵中间什么物体也没有,那么我们就听不到声音了。

科学家曾做过这样的实验:在一个密封的玻璃罩里放进一个电铃,人们在罩外可以听见铃声;当用抽气机把罩内的空气抽去时,人们只能看到铃在动。却听不到铃声了。这个实验证明,如果在发声物体周围没有任何物体,那么声音就不能向外传播。声音传播最关键的因素是要有介质,介质指的是固体、液体和气体,它们是声音能传播的前提。登上月球的宇航员即使面对面交谈,也需要靠无线电,那就是因为月球上没有空气,真空不能传声。声音在不同的介质中传播的速度是不同的,在空气中(15摄氏度)是340米/秒,在水中(常温)是1500米/秒,在冰中是3230米/秒,在钢铁中是5200米/秒。

声波从一种介质进入另一种介质或进入同一种介质密度不同的区域时,声波传播的路径就会发生弯曲,这种现象称为声波的折射。

为什么夜里的钟声客船上的人能够听得很清楚呢?除了晚上比较寂静,干扰的噪音少之外,还有一种重要原因就是声音发生了折射。声音为什么会在同一种介质中发生折射呢?原来,声音在空气中的速度随温度的变化而变化,温度每上升或下降5摄氏度,声音的速度随之上升或下降3米/秒。白天地面温度比较高,气温是向上递减的。由于在竖直方向上温度分布的差别,就会产生声音的折射现象。沿水平方向传播的声波靠近地面部分比离地面远的传播得快,声音传播的路径向上弯曲,也就是说,声音在比较暖和的空气中传播的速度比在寒冷的空气中快,因而声音在白天不会沿地面传播很远。在结霜的夜晚,地面温度很低,而离地面远的空气温度比较高,因而使声音向下折射,这样声音在地面附近就能传播得比较远,因此位于寒山寺里的钟发出的声音,才会清楚地传到江面上的客船。

“夜半钟声到客船”的神韵和美,不仅来自文学艺术之美,也来自科学之美。

来源:科普时报