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物。唐詩作為我國詩歌藝術之顛峰，更是如此。其不僅以精湛的文學藝術價值而膾炙人口、千古流傳，更有一些詩句蘊含著豐富的自然科學知識、多彩的物理現象，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，我們可以讓學生窺探到藝術之美與科學之真的完美融合、和諧統一。

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低。作者之所以能清晰地聽到寒山寺的鐘聲，除了噪音干擾少，另一個重要的原因是聲波的折射。聲波從一種介質進入另一種介質或進入同一種介質密度不同的區域時，聲波的傳播路徑會發生彎曲，這種現象稱為折射。折射規律遵照折射定律（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致聲波傳播方向發生偏折。

為了說明問題，我們先舉個大家熟悉的例子。為什么在“順風”時會較易聽到遠處的聲音？而在“逆風”時聲音會變得微弱？大家都有這樣的經驗——當你站在逆風的位置，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。難道風把聲波吹散了？出乎意料地，這其實與聲波的折射現象有關！

聲波在空氣中傳播，順風時會較快。一般來說，由于地面上有障礙物，所以接近地面時風速會較低，離地面遠一些，風速也較高 (圖1)。因此當聲波順風傳播時，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，所以造成折射現象，就好像聲波在不同的介質中傳播一樣。波動的會被折射向聲速較慢的地方，順風時聲波會被折射向下，所以傳得較遠。

相反在逆風時，聲波的前進方向與風速相反，聲速會被風速減弱，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，聲音沿地面傳播不會很遠（圖3）。反之，在結霜的晚上，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”？經查閱相關注解，“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和液態的懸浮粒子，如水滴、塵埃、冰晶，各種凝結核以及帶電粒子等，它們構成了氣溶膠分散系統，通稱為“氣溶膠”粒子，氣溶膠粒子的半徑一般在1?滋m至數10?滋m之間。其分布和濃度隨季節和緯度而變化，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，結果表明當粒子半徑ｒ<0.5?滋m時，粒子對短波的散射比長波強，當0.5?滋m<ｒ<1.4?滋m時，粒子對長波的散射比短波強。當ｒ>1.4?滋m時，在可見光圍內散射與波長無關，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不勝數。就單舉與參考系有關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象相關，或蘊涵著物理知識、物理規律的詩歌屢見不鮮，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。自然界的景物或現象，都是科學與人文共同的研究對象。當我們帶著一種感性的眼光去洞察、去感觸，用節奏、韻律的語言來反映，那就成了詩；而當我們帶著尋求現象背后本質規律的目的，用理性、科學的思維去觀察、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，一個是科學，貌似孤立，卻緊密相聯。正所謂“治學門徑本相通，評文論理皆神飛”，科學和藝術本相通，只不過觀察的視角不同，表達的形式不同罷了。科學是理性的、嚴謹的、求真務實的；藝術是感性的、浪漫的、追求美感的。

責任編輯羅峰