品唐詩 說物理

我國詩詞乃歷代文人廣泛涉獵自然、觀察自然及感悟生活的產(chǎn)物。唐詩作為我國詩歌藝術(shù)之顛峰，更是如此。其不僅以精湛的文學(xué)藝術(shù)價值而膾炙人口、千古流傳，更有一些詩句蘊含著豐富的自然科學(xué)知識、多彩的物理現(xiàn)象，反映了古代詩人對大自然的細致觀察和深刻思考。透過這些細致入微的描繪，我們可以讓學(xué)生窺探到藝術(shù)之美與科學(xué)之真的完美融合、和諧統(tǒng)一。

品唐詩之一 《楓橋夜泊》——“夜半鐘聲”能否“到客船”

月落烏啼霜滿天，江楓漁火對愁眠。

姑蘇城外寒山寺，夜半鐘聲到客船。

這是唐代詩人張繼的《楓橋夜泊》，詞句清秀雋永，意境深幽，是一首膾炙人口的千古佳作。該詩從視覺、聽覺、觸覺三方面描繪出一幅色彩鮮明、情景交融的秋江夜泊圖，抒發(fā)了一種從未有過的情懷。

最后一句“夜半鐘聲到客船”，突出鐘聲的清曠悠揚，也表達了溢滿胸懷的羈旅離愁。讀到這我們不禁會想，本來夜半鐘聲是向四面八方傳播擴散的，可是在愁眠不展的詩人聽來卻似乎格外響亮、格外清晰，似乎是專沖著困頓潦倒的詩人而來的。這遠處寒山寺悠揚的鐘聲是詩人的主觀臆造，還是真的能傳到詩人的“客船”？

注意兩個現(xiàn)象：一個是“夜半”，另一個是“霜滿天”。“夜半”說明了晚上比較寂靜，干擾的噪音少，另一個“霜滿天”則說明夜晚溫度相當(dāng)?shù)汀Ｗ髡咧阅芮逦芈牭胶剿碌溺娐暎嗽胍舾蓴_少，另一個重要的原因是聲波的折射。聲波從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)或進入同一種介質(zhì)密度不同的區(qū)域時，聲波的傳播路徑會發(fā)生彎曲，這種現(xiàn)象稱為折射。折射規(guī)律遵照折射定律（v1sini=v2sinr）。若聲波進入某一空氣層時，傳播速度變大，則其折射角越小。傳播速度的不同必導(dǎo)致聲波傳播方向發(fā)生偏折。

為了說明問題，我們先舉個大家熟悉的例子。為什么在“順風(fēng)”時會較易聽到遠處的聲音？而在“逆風(fēng)”時聲音會變得微弱？大家都有這樣的經(jīng)驗——當(dāng)你站在逆風(fēng)的位置，你不論如何高聲呼叫，遠處的朋友也難以聽到你的一言半語，但他的話你卻聽得一清二楚。難道風(fēng)把聲波吹散了？出乎意料地，這其實與聲波的折射現(xiàn)象有關(guān)！

聲波在空氣中傳播，順風(fēng)時會較快。一般來說，由于地面上有障礙物，所以接近地面時風(fēng)速會較低，離地面遠一些，風(fēng)速也較高 (圖1)。因此當(dāng)聲波順風(fēng)傳播時，離地面較遠的聲波走得快一些。由于高低兩層地方的聲速不同，所以造成折射現(xiàn)象，就好像聲波在不同的介質(zhì)中傳播一樣。波動的會被折射向聲速較慢的地方，順風(fēng)時聲波會被折射向下，所以傳得較遠。

相反在逆風(fēng)時，聲波的前進方向與風(fēng)速相反，聲速會被風(fēng)速減弱，造成上層的聲速較下層慢。依照上述的道理，聲波便會被折射向上，所以遠處的人便很難接收到了 (圖2) 。

類似的道理，白天地面溫度較高，氣溫在各氣層呈向上遞減趨勢。由于豎直方向上各氣層溫度的分布差別，導(dǎo)致聲波在各氣層傳播速度的不同，聲音在較暖和的空氣中傳播速度比在寒冷的空氣中快。根據(jù)折射定律，可知在白天，聲音傳播的路徑向上彎曲，因而，聲音沿地面?zhèn)鞑ゲ粫苓h（圖3）。反之，在結(jié)霜的晚上，地表氣溫低，空氣密度大，聲速小，而高空處空氣溫度相對高些，因而寒山寺的鐘聲在向四周傳播時是向下拐彎的（圖4），易于傳到船上。加上夜半時分萬籟俱寂，干擾的聲音少而小，鐘聲相對于嘈雜的白天就更容易辨別了。寒山寺的鐘聲傳到數(shù)里外的楓橋河畔便不足為怪了。

品唐詩之二 《望廬山瀑布》——“日照香爐”為何“生紫煙”

李白是唐代最著名的詩人，他的詩《望廬山瀑布》像一幅美麗的畫卷：

日照香爐生紫煙，遙看瀑布掛前川。

飛流直下三千尺，疑是銀河落九天。

詩人站在香爐峰下，觀看陽光照耀下的廬山香爐峰，一片片紫色的煙霧繚繞著山峰，遙望下落的瀑布就像掛在山前的水面上。那激越的水柱從峭壁上一瀉千尺，氣勢磅礴，恍惚間有如銀河從云端墜落。三千飛流，九天直落，具有如此雄渾的氣魄與不受限制的想像力，古今恐怕唯有詩仙李白一人吧。倘若你仔細推敲，或許會疑問，“日照香爐”為何“生紫煙”，“煙”是紫色的，可能么？會不會是其它的“煙”？經(jīng)查閱相關(guān)注解，“紫”的確是紫色的意思，“煙”的確是山上水氣在陽光照射下形成紫色的煙霧。那么，詩中的“紫煙”會不會是詩人觀察失誤，還是詩人 “為賦詩詞強說‘紫’”，“紫煙”是否客觀存在？這似乎是個謎團。

從科學(xué)的角度來說，“紫煙”一定條件下是可能存在的。大氣中總是含有大量固態(tài)和液態(tài)的懸浮粒子，如水滴、塵埃、冰晶，各種凝結(jié)核以及帶電粒子等，它們構(gòu)成了氣溶膠分散系統(tǒng)，通稱為“氣溶膠”粒子，氣溶膠粒子的半徑一般在1?滋m至數(shù)10?滋m之間。其分布和濃度隨季節(jié)和緯度而變化，也隨高度和氣象條件而變化。

米氏(Ｇ.Ｍｉｅ)于1908年對任一尺度的粒子的散射問題進行了精確的計算，結(jié)果表明當(dāng)粒子半徑ｒ<0.5?滋m時，粒子對短波的散射比長波強，當(dāng)0.5?滋m<ｒ<1.4?滋m時，粒子對長波的散射比短波強。當(dāng)ｒ>1.4?滋m時，在可見光圍內(nèi)散射與波長無關(guān)，平常我們所見到的白霧，就是因為空氣中存在大量這樣大半徑的小水滴。而李白當(dāng)時所觀看到香爐峰瀑布周圍大氣中的“氣溶膠”粒子半徑很有可能小于0.5?滋m，這些粒子對短波的散射比長波強，即紫光波長最短，散射最強。在該情況下李白觀察到的“紫煙”是自然而然的事情了。從“紫煙”二字，我們也可以看出了大詩人李白對大自然的觀察是何等細致入微。

其實，古詩中與物理相通的例子數(shù)不勝數(shù)。就單舉與參考系有關(guān)的詩歌就有許許多多，諸如“臥看滿天云不動，不知云與我俱東”“兩岸青山相對出，孤帆一片日邊來”“小小竹排江中游，巍巍青山兩岸走”“滿眼風(fēng)光多閃爍，看山恰似走來迎，仔細看山山不動，是船行”“月在云中穿梭，云從月旁掠過”“坐地日行八萬里，巡天遙看一千河”等等。諸如此類或與物理現(xiàn)象相關(guān)，或蘊涵著物理知識、物理規(guī)律的詩歌屢見不鮮，仿佛物理到了詩人眼里都是“詩”，“詩”到了物理人眼里都是“理”。

詩和物理本來就是相通的。自然界的景物或現(xiàn)象，都是科學(xué)與人文共同的研究對象。當(dāng)我們帶著一種感性的眼光去洞察、去感觸，用節(jié)奏、韻律的語言來反映，那就成了詩；而當(dāng)我們帶著尋求現(xiàn)象背后本質(zhì)規(guī)律的目的，用理性、科學(xué)的思維去觀察、去思考、去剖析事物，用“最簡潔”的形式，概括出來，這時候就成了物理。詩和物理，一個是藝術(shù)，一個是科學(xué)，貌似孤立，卻緊密相聯(lián)。正所謂“治學(xué)門徑本相通，評文論理皆神飛”，科學(xué)和藝術(shù)本相通，只不過觀察的視角不同，表達的形式不同罷了。科學(xué)是理性的、嚴(yán)謹?shù)摹⑶笳鎰?wù)實的；藝術(shù)是感性的、浪漫的、追求美感的。

責(zé)任編輯羅峰