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品味唐诗中的物理学

2018-06-02

大家都认为中国古代的诗歌有很高的文学艺术水平,但是有人说一些诗歌含有科学道理你可能就有些吃惊,是吗?会有这样的事情?


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其实,科学与艺术是相通的,科学家和艺术家都在观察自然,科学家通过观察实验发现、揭示自然本质,艺术家则通过不同手法表现自然,但在观察自然的时候也能够发现自然的本质。中国古代的一些诗词中就包含着一些科学的道理。


白日依山尽,黄河入海流。

欲穷千里目,更上一层楼。


这是唐代诗人王之焕的《登鹳雀楼》。诗人登上鹳雀楼眺望西边的远山,太阳依山渐渐落下,滚滚的黄河水流向远方,一直奔流到大海。要想看到更远(千里之外)的景色,就要站得更高,登上更高的楼层。


一般人认为,站得高看得远是因为站得高就可以躲过障碍物的遮挡。其实,这样的理解是不正确的;在地球上没有障碍物,人的视野也会被限定在一定的范围内,这是因为地球是一个球体。人们在海边看远处开来的帆船,首先看到的是船的桅杆,然后才能看到船体就是这个道理。人的视线和地球球体的切点越远,地平 线就越远,看的就越远。人站得越高,视线与地球的切点就越远。坐飞机、在宇航站上看得更“远”,在月球上就能够看到半个地球。“欲穷千里目,更上一层楼。”就包含有地球是个球体这个概念。


另一位唐代诗人张继在“枫桥夜泊”中描写了另一个自然现象。他在诗中写道:


月落乌啼霜满天,江枫渔火对愁眠。

姑苏城外寒山寺,夜半钟声到客船。


张继在诗中描绘了江边的夜景,月亮西落乌鸦啼叫,寒霜铺天盖地而来。面对着岸边的枫树,江中的渔火,更加愁烦难眠。半夜里,姑苏(苏州)城外寒山寺的钟声传到了客船。注意两个现象:夜半钟声,霜满天。


夜里的钟声、客船上的人为什么能够听得很清楚呢?除了晚上比较寂静,干扰的噪音少之外,还有一个重要的原因就是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,声波的传播路径会发生弯曲,这种现象称为折射。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,声音传播的路径便向上弯曲,也就是说,声音在较暖和的空气中传播速度比在寒冷的空气中快。因而白天声音不会沿地面传播很远。在结霜的晚上,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,客船上的人就能很清晰得听到寒山寺的钟声了。


唐代诗人刘禹锡仔细观察了淘金女工作的时间、地点和淘金的方法,写了一首名叫“浪淘沙词”的诗:


日照澄洲江雾开,淘金女伴满江隈。

美人首饰侯王印,尽是沙中浪底来。


淘金的时间在早晨,太阳照到江中的水洲“澄洲”上,笼罩在江上的浓雾慢慢地散开。江上逐渐晴朗。淘金的地点在江边弯曲处,那里布满了淘金的妇女。


诗人观察得细致,因此对自然现象描述非常准确,江上江边空气含水量大,晚上气温下降,空气中的水分就会过饱和,结为雾珠。太阳出来气温升高雾珠蒸发,雾气就消失了。这就是诗中“日照澄洲江雾开”包含的自然景观。


淘金妇女聚集在江边弯曲处是因为江水弯曲部位的外侧,水流的速度比较大,能够更好地把沙金与沙子分开。因此“淘金女伴满江隈”。“隈”就是山、水弯曲的地方。


淘金的过程是利用物体在水中受到的浮力等于它排开的水受到的重力这一著名的阿基米德定律。相传是阿基米德为鉴定一顶纯金的王冠的真伪问题陷入沉思,洗澡时发现了这条重要定律。沙子和沙金的比重都比水大,它们在水中都不会浮在水面上。搅动含有沙金的江底泥沙,使它们浮动起来,同样体积的沙子与沙金在水中受到的合力(重力一浮力)不同,沙金受到的合力大些 (因为沙金的比重大)下降的速度也快些。在流动的水中沙子和沙金就会沉降到不同的地方。这样沙子与沙金就分开了。美人首饰和王侯印,都是由浪搅动沙子得到的。


王之焕的《凉州词》写出了玉门关外一片凄凉景色:


黄河远上白云间,一片孤城万仞山。

羌笛何须怨杨柳,春风不度玉门关。


放眼望去奔腾的黄河好像在天边与白云相接。城堡倚在万丈高山旁就显得更加孤单、渺小。


黄河在地上,白云在天上,为什么在诗人眼里它们会相会在一起。是诗人的错觉吗?不是。人向四周望去,会感到自己置身在一个你目力所及的圆面的中心。这个圆面的边缘就是地平线。地平线是不可接近的,当你向它走去,它就向后退去。当你向后退时,它又向你走来。我们极目望去地平线就与天相接了,于是,远处的黄河就像与天边的白云相接了。


地平线离我们有多远?它与观测者在地球表面上的高度和地球的半径有关。根据计算,一个中等身材的人在平地上所能望见的距离不会远过4.8千米。如果站得高一点地平线就会远一些。


月球的直径是3476千米,大约是地球直径12756千米的1/4稍大一些。在月球上观测者与地平线的距离只有2.3千米。木星的直径是地球的11倍左右,在木星上观测者与地平线的距离是15千米。


李白是唐代最著名的诗人,被称为“诗仙”。他的诗《望庐山瀑布》像一幅美丽的画卷:


日照香炉生紫烟,遥看瀑布挂前川。

飞流直下三千尺,疑是银河落九天


诗人站在香炉峰下,观看阳光照耀下的庐山香炉峰,一片片紫色的烟雾缭绕着山峰,遥望下落的瀑布就像挂在山前的水面上。气势磅礴,飞流直下的瀑布蔚为壮观,使人疑惑是不是银河从九重天上落下来了。


山峰被紫色的烟雾缭绕,似乎很难见到。是不是诗人看花了眼?或者是做了牵强附会的描写?都不是,诗人做了细致的观察,这样的情况在一定条件下是可能发生的。这是对“紫烟”多种解释的一种,科学原理给予了支持。


阳光透过小水滴可以产生彩虹,这是大家都知道的。阳光照到庐山香炉峰为什么会出现紫色呢?原来,光线通过烟雾微粒时会发生散射。当这些烟雾微粒的直径比光波波长小时,散射光的强度与入射光波长的四次方成反比,这个关系叫做“瑞利散射定律”。瑞利是1904年诺贝尔物理学奖获得者,他为了解释“天空为什么呈现蓝色”等长期令人不解的问题时,导出了“瑞利散射定律”。


可见光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫组成的,可能李白观看瀑布那天香炉峰瀑布产生的水雾的直径和紫光的波长差不多,所以散射光中紫光最强。李白注意观察了这个现象,原原本本写进了他的诗中,“日照香炉生紫烟”便是当时的真实写照。


唐代诗人不可能有今天的物理学知识,但是他们在做诗的时候是很认真的,他们仔细的观察自然界的现象,使之准确地写入诗中,今天我们看到这些诗,除了赞美他们的艺术天才之外,也能体会到他们在探求自然的本质方面是何等的认真!


(来源:物理小识)

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