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都有属于自己的基因密码

也都有属于自己的科学密码

从今天起，我们将在周末推出系列报道——用现代科学破解“国宝密码”

《国家宝藏》有多火?一向高冷的豆瓣网友给它打出了9.5分，在00后、二次元们扎堆的B站，《国家宝藏》的热度也排名前列。

这么火的良心综艺，你一定也看了吧？不过，你真的看懂了那些国宝背后的秘密吗？

著名考古学家邹衡先生曾说：“什么能够代表中国？在我看来无外乎两者，一是秦始皇兵马俑，二是曾侯乙编钟。”

第二期《国家宝藏》里，展出了湖北省博物馆的镇馆之宝——曾侯乙编钟。曾侯乙编钟1978年在湖北随县出土，是目前已知全世界最大、最重、音乐性能最完好的青铜礼乐器。全套编钟重5吨，共65件钟，分三层八组悬挂在呈曲尺形的铜木结构钟架上,最大钟通高152.3厘米，重203.6公斤。它高超的铸造技术和良好的音乐性能，改写了世界音乐史。

科技日报记者约请中国音乐学院音乐科技系副主任付晓东教授，作为解密人，带您一起探究曾侯乙编钟的科学密码。

又懂音乐又懂科学的走心大叔！

要想了解为什么独有中国的编钟成为乐器，首先要说到冶金铸造的技术，了解编钟的化学成分。

钟的外壳都是金属，但金属的成分影响了钟的音质，庙里的铜钟、西方教堂里的圆钟都不能当乐器。付晓东说，原因就是延音太长，敲一下，“Bang~~~”一直在响，大钟无法抑制内心的波澜，所有的回音混在一起，体现不出节奏和旋律，自然不能用来演奏音乐。

而延音的长短是由钟的成分和结构决定的，这里我们先说成分。

西洋钟往往用的是黄铜，黄铜里面含铜和锌，这种铜一般做锣、钹、镲，这类打击乐器发出的声音很难抑制。中国的编钟使用加入了锡和铅的青铜铸造，阻尼系数高，敲一下就停，延音短。

中国古人掌握了青铜铸造的“独家秘方”，在铜、锡、铅符合一个固定比例时，钟声就能成为乐音。

那么，为什么只有锡和铅才成为了青铜的好伙伴呢？

付晓东说，铅的主要作用是增加阻尼，铜本身的弹性大，加入铅后，弹性变小，被敲击后振动时间相应变短。

“锡能够改变青铜的硬度，”付晓东说，“关键也是要把握好比例，如果锡加的太多，编钟一敲就碎，加的太少，一敲就是一个坑。”

所以说，完美比例的科学配方成就了古代编钟。不过可惜的是，随着人们的冶炼技术越发先进，提炼出的铜越来越纯，青铜时代就过去了，所以汉代以后就没！有！编！钟！了！

漫画作者@学画画的小颖

编钟成为乐器的第二个重要原因，就是独特物理结构形成的“一钟双音”现象。

曾侯乙编钟的每个钟可一锤两音，敲出差三度的两个乐音互不干扰，也可以同时敲击产生和声。

付晓东介绍，一钟双音是由我国当代杰出的音乐学家黄翔鹏先生最早发现的。其实在之前出土的其他编钟上，黄翔鹏已经发现了一钟双音的现象，敲正面和侧面发出的声音不同，不过一开始他以为只是偶然现象，没有公开发表自己的新发现。

曾侯乙编钟出土后，黄老先生发现几乎每个编钟都有一钟双音的现象，才开始认真研究。

但是当时谁也不知道为什么编钟能奏出一钟双音。古籍上也没有任何记载，只有沈括在《梦溪笔谈》里略微谈到“古乐钟皆扁，如合瓦，盖钟圆则声长，扁则声短，声短则节，声长则曲。节短处声皆相乱，不成音律。”意思是由于扁钟发声短促，无延长音，圆钟有较长的延长音，在快速旋律中，各种频率的音会相互叠加而不成音律。

沈括的这段话除了描述出扁钟和圆钟的不同衰减现象和圆钟明显的拍频现象，更重要的是第一次记载了中国古乐钟都是合瓦形的扁钟。

在发现“合瓦”是产生一钟双音的奥秘之前，所有试图复原编钟的努力都失败了。人们开始意识到也许合瓦形的结构才是问题的关键。

付晓东告诉记者，编钟的振动属于板振动，合瓦形结构能够形成不同的振动分区，每个分区的频率不同，并且彼此形成有效的隔离，因此敲击正面和侧面就相当于敲击不同的板。此外，板子厚，振动的频率就高，板子薄，振动的频率就低，古代工匠会通过挫磨钟壁来调整编钟的音高。

左侧为曾侯乙编钟构造，右侧为西方编钟构造

如果钟做成圆形，振动的曲线就会环在一起，只有做成扁形，才能让两块板子分区振动。

付晓东说，编钟也不是完全的分离振动，敲正面时，侧面的板子也在微微振动，只不过声音很小。

仅仅做到把厚薄不均的板子做成扁形就够了吗？

“中国古人非常聪明，为了增加隔离度，在钟体里面挖隧，让振动块能够分离出来。虽然钟体外观是一个整体，但里面是一块一块的。这样有助于一钟双音能区别开来。”付晓东说。

除了钟体里面有隧道，编钟外面还长了“青春痘”！

“这是钟枚。它放置的位置是有讲究的，为了抑制某些振动体，把不和谐的频率抑制住，只留悦耳的乐音。钟枚的作用还能增加阻尼，减少延音时间。”付晓东说。

漫画作者@学画画的小颖

看到这里，你是不是也被中国古人的智慧折服了？

为了复原曾侯乙编钟，人们用了各种现代化的技术手段，然而做出来去测音，还是发现复原钟在音准、延音时间以及双音的隔离度等方面，并没有超过曾侯乙编钟。

中国古人如何能够在当时达到这种技术，到现在都是个谜。

打破了“中国的七声音阶

是从欧洲传来”的说法？

曾侯乙编钟出土后，音乐专家们惊奇地发现，看似笨重的编钟音色优美，音质纯正，音高接近于现代的C大调。

大家都知道钢琴是目前世界上音域最广的乐器，编钟则是中国版“钢琴”，全套编钟音域跨度达五个八度，自C2至D7，只比现代钢琴少一个八度。

付晓东认为，能做到如此宽广的音域，是因为曾侯乙编钟足够多，以及体积形制的差别非常大。

板振动的规律是越大越薄，产生的频率就越低，越小越厚，产生的频率就越高（不明白的回去复习物理课）。

所以编钟里面的钮钟，挂在最上面一排，形状很小，但声音很高。大的甬钟就放在地上，体积很大，声音很低。所以编钟的体积与音高成反比，体积越大，音高越低。此外，通过磨壁来控制频率，壁厚频率就高，想让频率变低，就把壁磨得薄一些。

除了能与现代钢琴媲美，这件逆天的文物，对于中国人来说，还有更重要的意义。

中国博物馆协会乐器专业委员会秘书长张翔曾表示，“编钟的制作是一个系统工程，不仅关乎音乐方面，还包罗比如声学、结构力学、冶金铸造、数学等方面，涉及多个学科，这些方面的成就在当时都是顶级的。曾侯乙编钟是当时人类精神文明和物质文明的集大成者，从文化层面上来说，它甚至要超过秦始皇兵马俑。”

“当之无愧的国之瑰宝！”付晓东对曾侯乙编钟赞不绝口，“无论是铸造、音准、律制，还是工艺、规模，在当时都是傲视全球的，让人非常叹服。但后来中国的音乐文化，就没有这样的东西。”

网上普遍认为，曾侯乙编钟的发现，打破了“中国的七声音阶是从欧洲传来”的说法。但事实并不是这样的。

付晓东说：“河南出土的贾湖骨笛已经能吹出七声音阶，而这个骨笛是新石器晚期的产物，距今已经8000多年，也就是说在8000年前，中国就已经有七音了。”

而曾侯乙编钟的出土是一个更加重要的佐证。不仅证明中国古人已经有了七声音阶，同时还有半音，而且十二个半音都具备。

“曾侯乙编钟上的十二律，清清楚楚地摆在了那个地方。那个时代的艺术家工匠们用非常美的篆字、书法书写十二律高，黄钟、大吕、太簇、夹种、姑洗、仲吕、蕤宾、林钟、夷则、南吕、无射、应钟。这就相当于钢琴上的黑键和白键。你都没办法质疑，因为它都写在那个地方了。所以，曾侯乙编钟十二律都有了，你说它演奏七声音阶算什么？”张翔说。

那么古代七声音阶为何没有“宫商角徵羽”那样广泛流传？

“可能是因为战乱，也可能是某种制度对雅乐的要求比较严苛，所以在宫廷音乐中五声音阶占据了统治地位，但民间音乐就会有大量的偏音，比如秦腔。”付晓东说。

除了七音十二律，编钟横列各音排列还体现出了五度相生律的生律结构。而在 100 多年后的欧洲世界，希腊科学家毕达哥拉斯才刚刚提出“五度相生律”。

为了解释五度相生律，付老师特地现场演示了一番。

作为一枚如假包换的音乐小白，听到这里已经凌乱了，有慧根的你请观看视频自行领会↓↓↓

可以解开编钟的科学密码？

随着科技的进步，人们研究国宝的手段也越来越多。那么有哪些高科技手段可以帮助我们去解开编钟的科学密码呢？

“第一种方法是测音，就是用测音软件去测编钟的基音，以及各种振动的频率，看看它的各种音高，这个叫频率测量法，这种仪器有很多，现在手机上都有这种测音软件。”付晓东告诉记者。

工作人员用专业设备对编钟音质进行分析

第二种方法是全息摄影技术，把它变成一个振动体，用激光去测它的振动幅度，振动幅度大的就变成色彩浓的区域，最后形成一个全息摄影图。这样我们就可以看出在敲击编钟时哪些地方振动得剧烈些，从而复原它的振动。

第三种方法就是建模，建模的目的就是仿真，先用计算的方法算出它的弹性模量，算出它的厚度，然后照着这个模型复原出一个编钟。不过很遗憾，现在复原的编钟与原件差异还是较大的。

编钟的音准还和当年一样吗？

付晓东坦言，两千多年前的音谁都没测过，但总体来说，金属在音准上的变异非常小，受温度湿度影响很小。当然铜也会生锈也会剥落，但我们认为，这种变化对音准的影响基本可以忽略。弦乐器受温度和湿度的影响比较大，尤其是尼龙弦、丝弦，受温度热胀冷缩的影响非常大，因此现在大部分弦乐器都用的金属线。

所以说，这个编钟在南方敲和北方敲，在冬天敲和夏天敲，从人耳感知的角度而言，它的音准不会有太大变化。

很多文物在出土时风化得更厉害

编钟是否存在这样的问题？

付晓东说：“编钟最主要的问题出在木架子上，在出土时，它的木架子有一些浮损，但不是很厉害，这个就涉及到中国古代另一项了不起的技术——漆艺。楚国的漆艺特别厉害能够起到防腐防潮防蛀的作用。编钟的钟体本身没有风化得太厉害，无论是司母戊大方鼎，还是曾侯乙编钟，这么多年下来，你会发现青铜器的变化不会太多。”

需要进行什么样的专业训练？

“不需要学，你花半小时排练一下也可以去演奏。”付老师的话让记者欢欣鼓舞，原来音乐小白也可以去演奏编钟。

“因为它不能演奏复杂的旋律，它就是那种黄钟大吕的金石之声。它就要最大的音量，使劲敲就行了。但一定要记住，编钟不适合演奏节奏轻快的乐曲，虽然它的延音短，但毕竟还是有延音，如果用编钟来演奏《致爱丽丝》，那对耳朵而言是一场灾难。”付晓东诙谐地说。

曾侯乙编钟的真品演奏过吗？

编钟是“国宝”，“国宝”当然不能随便敲击。曾侯乙编钟出土后总共也就演奏过三次。

1978年8月1日。历史上的第一场，曾侯乙编钟原件演奏音乐会在驻随炮师某部礼堂举行。这是沉寂了2400多年的曾侯乙编钟重新向世人发出它那雄浑而又浪漫的千古绝响。

首次奏响编钟以《东方红》为开篇，接着是古曲《楚殇》，外国名曲《一路平安》、民歌《草原上升起不落的太阳》，最后以反映共产主义的《国际歌》乐曲落幕。

1984年，为庆祝新中国成立35周年，在北京中南海怀仁堂,为各国驻华大使演奏了中国古曲《春江花月夜》和创作曲目《楚商》以及《欢乐颂》等中外名曲。

1997年，著名音乐人谭盾为庆祝香港回归创作大型交响乐《天·地·人》时，由国家特批再次敲响了编钟。

上完了化学课、物理课、历史课、乐理课、科技课……是不是觉得脑细胞受到了很大的伤害？最后，让我们来听一段编钟演奏来抚慰一下受伤的小心灵吧！

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