艺术上流光溢彩，技艺上巧夺天工

原题：蕴藏现代科技信息的古代文物

作者：记者 张文静

2015年05月22日 来源：中国科学报　

    中国古代的文物浩如烟海，其中有不少都是科学与艺术相结合的珍品。它们不仅在艺术上流光溢彩，而且在技艺上巧夺天工。

    从上世纪70年代后期开始，出于对技艺与艺术的浓厚兴趣，北京大学力学与工程科学系、古代文明研究中心教授王大钧就开始关注这些具有科学意义的历史文物，并对其科学原理进行研究，这一做就是三十多年，如今仍乐在其中。

    在王大钧看来，这些文物在科学方面的深刻性和复杂性往往不为人所知，但实际上对其科学原理的认识是非常重要的，“因为这可以帮助我们了解中国古代文物的科学价值，并认识到古代科技所到达的高度”。

    王大钧表示，在自己的研究中，最具代表性的就是“透光镜”、龙洗和编钟。

“透光镜”

    “中国的古铜镜传世和出土的无数，但只有少数几种铜镜有一种特异的性质，那就是可以‘透光’。”王大钧介绍说，“如果用阳光或者平行光照射镜面，反射出的光中会出现和镜背花纹相一致的明暗相间的图案，就好像光线透过铜的镜体，将镜背反射出来一样。所以，这种铜镜也被叫作‘透光镜’。”

    “研究者发现，这种铜镜之所以能‘透光’，是因为其镜体结构不同于一般的镜子。这种铜镜的镜体周围有一圈厚而宽的边环，边环内的镜体很薄，而且镜面微微凸起，镜背上的图饰也主要呈环形分布。”王大钧说，“这样的铜镜在铸造过程中，由于镜体薄，边环厚，镜体冷却得快，边环冷却得慢。这样导致镜体已经凝固的时候，边环还在匀速收缩，对镜体产生紧缩作用。当铜镜稳定以后，这种作用就产生了镜内的所谓铸造残余应力，镜体受到边环的残余应力，有拱起的趋势。”

    “由于镜体各处的厚度不同，薄处的刚度比厚处的刚度小，于是薄处拱起的程度要比厚处大，这样就形成了厚处相对较平、薄处相对较凸的一个镜面。在平行光的照耀下，反射光在平行处相对集中，而在凸起的地方相对分散，这样就形成了厚处亮、薄处暗的图像。”王大钧认为，这种特殊结构，将热学、力学和光学紧密而巧妙地结合在一起，正好实现了“透光”的效果，“充分体现了一种科学的美感”。

    在王大钧看来，包括“透光镜”、龙洗和编钟在内的具有科学意义的文物，是中国古代创造出来的宝贵文化遗产，不仅为后人留下了科学与艺术之美的享受，为现代人的科学和艺术创造提供启迪和激励，也留给现代科学研究者很多有价值的科学问题。

    “中国古代的科学技术是一个极为丰富、珍贵的宝库，其中有些宝藏需要我们重新认识、发现和评价，它们蕴含着深层次的科学信息，需要用现代科学去揭示。”王大钧说道，“这其中，有一些历史文物中蕴含的现代科学信息已经成为了各个领域前沿的科学议题，有些甚至还无法用现代科学去准确解释，有待我们进一步挖掘和研究。”

龙洗

    所谓龙洗，是古代宫廷中的一种玩物，是一种铜制的圆盆，盆内铸有龙纹的叫龙洗，铸有鱼形花纹的就叫鱼洗。铜盆旁边有两个耳朵，当搓动耳朵时，盆底会发出悦耳的嗡鸣声，此时盆中的水中部平静，旁边四个对称点会发生波动。当双耳摩擦加强时，里面会产生小米粒般的水珠，摩擦再进一步加强时，水珠会犹如泉涌，四股珠泉喷起，可高达一尺有余。龙洗或鱼洗的制造者往往特意将龙嘴或鱼嘴的位置对准喷水的四个点，当盆中水涌起时，珠泉仿佛从龙或鱼的口中喷出。

    “如果操作龙洗或鱼洗的人技高一筹，变换手的张弛程度和搓动速度，龙洗或鱼洗也许可以在六个对称点喷水，甚至八个、十个或十二个。”王大钧介绍说，“龙洗和鱼洗的价值不仅在其妙趣横生的观赏性，还在于其科学上的深刻性。”

    “龙洗和鱼洗复杂而美妙的运动形态是由两种因素相结合产生的，一是摩擦引起的自激振动，二是盆的形状特性。”王大钧解释说，“任何物体在受到摩擦之后，有余摩擦系数与物体间的相对速度有关，引起物体的持续振动，比如小提琴的弓拉弦、开门时吱吱作响等，都是如此。龙洗在进行自激振动的时候，产生的美妙图案又和铜盆的形状有关。具体说来，龙洗的振动由很多特殊的运动形态，即所谓模态组成。当双手的搓动接近于大小相等、方向相反的状态时，龙洗的振动就会出现一种模态，这种模态相对于龙洗盆底中间垂直的线来说是反对称的；而当双手的搓动大小相等、方向大致相同时，龙洗就会出现另一个振动状态，沿着对称线是对称的。这种不同的振动状态导致了盆内水的不同运动模式。”

    据王大钧介绍，从龙洗现象中，研究者已经引发出三个现代科学的前沿课题，包括两个变形系统之间干摩擦引发的运动、壳体水波的各种形态、高频激励壳体而引发的壳内低频大幅水波等，而有些问题是现代科学仍无法准确解释的。

    正是这些未解之谜，让王大钧对龙洗更为着迷。直到现在，他的办公室里还放着几个淘来的仿制龙洗和鱼洗。出国进行讲座时随身带着铜盆太沉，王大钧特意自己动手用脸盆做了一个龙洗，并找到熟识的画家为龙洗画上了花纹图案，每次带着这个自制龙洗出国介绍，都会引起不少人的兴趣。

编钟

    “钟文化往往是悠久民族文化的重要组成部分，中国的钟文化则有着特别的魅力。”王大钧介绍说，“从形体上看，钟分为两类，一类是圆形钟，比如炫耀朝廷威严用的朝钟、报时用的钟以及宗教用钟等，这些钟的横截面都是圆形的；另一类则是作为乐器使用的扁形钟，其横截面是两段圆弧，这种钟好像是用两个瓦片合成的，所以也叫作合瓦型钟。在商朝、周朝时期，这种扁形钟是重要的乐器，被成组使用，故而被称为编钟。”

    在中国历史上的西周到战国时期，统治者极其重视礼乐，乐也即成为当时治国的一种重要手段。不同等级的人要使用不同的乐器种类，并拥有不同数量的乐器。“中国的乐钟发展了几千年，但一开始就不是普通的圆形钟，而是扁形钟，这是很神奇的。”王大钧告诉《中国科学报》记者，“其中，最具代表性的是1978年在湖北随县出土的战国时期的曾侯乙编钟，全套乐钟64枚，音域覆盖了五个半八度，只比钢琴少两个八度，十二个半音齐备。它的出土轰动了考古界和音乐史界。”

    作为乐器，编钟具有很多优越的性能，在王大钧看来，其中最具代表性的有两个，一是具有双音性质，二是其短延音的特性。“所谓双音性质，就是你分别敲击钟的正鼓点和侧鼓点时，它可以发出两个不同的声音。这种性质大大扩展了乐钟的演奏功能，并节省了铸造成本。”王大钧说道，“而短延音是指其发出的声音比较短促，比如，教堂里的钟要以绵长的声音来感动人，但作为乐器的钟如果延音过长就会导致声音互相干扰而不能成乐。”

    编钟的这两种特性正是源于其扁形的形状。

    “面对一个圆形钟，当你敲击一个点的时候，钟会振动，敲击点上的振动幅度最大，它对应一个频率，也是一个音高。当你敲击另外一个点的时候，其振动形态是另外一个形态。但由于圆形钟的横截面就是一个圆环，是个轴对称结构，敲击不同的点，其振动形态只在角度上有差别，而对应的频率是一样的，音高也是同样的。所以，对于圆形钟而言，在不同的点敲击，得到的音高和频率都相同。”王大钧解释说，“但是，扁形钟的横截面是个扁环，敲击正中的点，形成了一个振动形态，这个形态中有四个不动的点，我们叫作节点。当我们在节点再敲击的时候，其振动形态完全是另外一个样子。这两个振动形态对应着完全不同的频率，而且在组成合成音的时候互相不包含，所以敲击扁形钟的正鼓点和侧鼓点的时候，声音是不同且分开的。”

    对于短延音的性质，王大钧则是通过实验发现的。“我们取两个材料和尺寸相同的钢管，一个是圆形的，另一个是扁形的，将它们放在真空里敲击，测试出两者的延音基本一样。我们再把它们放在空气中敲击，发现圆形钢管的延音长，扁形钢管延音的短，而且两者相差很大，扁形钢管的延音是圆形的三分之一。”