化學和音樂有多近?周期表、DNA雙螺旋和化學光譜圖裡的天籟之音

2020-12-04 化學者

藝術和科學的共同基礎是人類的創造力,追求目標都是真理的普遍性,永恆的價值追求都是真、善、美。化學學科作為自然科學的一個重要組成部分,在其發展歷史進程中,處處體現出化學研究和藝術美的高度統一,在化學家和藝術家創造性的勞動和美的旋律之中水乳交融、和諧相生。

元素周期表的發現,音樂功不可沒

在科學史上,不乏科學家創新發現或創造發明得益於音樂的有趣事例。而在化學課堂上講到元素周期表一節時,讓我們津津樂道的是英國化學家紐蘭茲受音階的啟示而發現了原子遞增的規律從而創造了八音律表。

樂音本身是和諧悅耳的,但樂音的隨意串接,並不就是音樂。從樂音到音樂需要通過一個階梯,這個階梯是音的階梯,所以被稱作音階。英國有個名叫紐蘭茲(1837-1898)的人,他從小受母親的影響,愛好音樂。當時他按照原子量從小到大排列當時已為人所知的各種元素,發現每隔七個元素便有重複的元素化學性質出現,這使他聯想到音樂上的八個音階的往復循環上升。

於是他排出了一個八音律元素表,八個元素一排。紐蘭茲自己把它稱為「八音律」,並畫出了「八音律」表。1866年3月當他在倫敦化學學會發表這一觀點時,得到的卻是嘲笑和諷刺;他的有關論文也被退稿。七年以後,他的論文又被拒絕發表。當時有許多元素尚未被發現,此外元素排列本身還有些複雜因素,所以他的八音律元素表尚有不少缺欠。最後經過門捷列夫的調整和其他人的努力,才有了今天這個元素周期表。

儘管音階中音的個數和周期表中的列數並不相同,周期表中還有些複雜情況,但周期表中旋轉樓梯式的往復又升高的變化形式和音階中不同八度中音符變化形式確實屬同一類型。如此看來,將周期律提出的部分功勞歸於音樂看起來是毫不過分的。

DNA的雙螺旋結構與蕭邦的名曲

當你欣賞蕭邦的進行曲時,也許眼前會出現一個受盡苦楚的老人,正在冷漠的世界中尋找最後的歸宿;也許你會感到自己正隨著送葬的隊伍,在嚴冬的風雪中蹣跚而行……令人難以想像的是,這一富有藝術魅力的樂曲,竟和生物體細胞中的遺傳物質——DNA有關。難道DNA中也有音樂?DNA中怎麼會出現《葬禮進行曲》的樂譜?

這裡,不妨從近年來DNA研究的一項重大突破談起。首先發現DNA音樂的是日本癌症研究中心的兩位科學家。兩位日本科學家在進行DNA研究時,別出心裁地用音符來代替鹼基排列順序,即選擇音符2、3、5、6來取代鹼基G、C、T、A。他們把人體白血病病毒的一種DNA的鹼基排列順序配成樂譜,並用電子樂器演奏時,人們會感到纏綿悱惻,潸然淚下。

DNA音樂問世後,整個科學界轟動了。在歐美及日本學者的努力下,DNA變奏曲、DNA組曲等應運而生,它們以迷人的旋律贏得了眾多的觀眾。更有甚者,有位科學家把人體胰島素DNA的鹼基排列配成樂譜,結果發現它與蕭邦《葬禮進行曲》第三樂章的中間部分非常相似。

這就是古希臘畢達哥拉斯學派「哪裡有數,哪裡就有美」這一古老論斷的現代音樂實踐,使枯燥的DNA數據注入情感因素並獲得富有音響和節奏的美感。

化學光譜圖中隱含的天籟之音

核磁共振氫譜、元素髮射光譜及有機物紅外光譜等譜圖中隱含的樂曲——「此曲只應天上有,人間能得幾回聞?」

在有機化學模塊有機物研究的一般步驟和方法一節的學習中,學生將有機物核磁共振氫譜、紅外光譜等譜圖聯繫到了MP3音樂播放器上那些不時變換的音效視圖上。這並不匪夷所思,當下一些化學家他們做的工作更進一步——利用這些譜圖演奏出音樂!

核磁共振是指原子核在外磁場作用下因共振而大量吸收某種頻率輻射的物理過程。通常,核磁共振光譜的頻率遠超出人的聽覺範圍,但是,當核磁共振遇見「好事」的「不務正業」的化學家,這種情況就發生了改變。在一個 「磁共振遇見音樂家」(NMR meets musicians)的網站上,蘭格紐倫堡大學的有機化學教授詳細闡述了如何將核磁共振轉化為聲樂的全過程。在那裡,即使像酒精這樣如此普通的物質,也能奏出美妙的聲響。

原先科學探索大自然,而藝術探索人的心靈,如今藝術越來越科學化,科學越來越藝術化,古希臘時代阿里安德妮向相反方向射出的兩支箭最終相交了,科學和音樂的融合是21世紀發展的大趨勢。

歷史上著名英國科學家盧瑟福在研究原子光譜時說:「如今我們在光譜線的絮語中聽到的聲音,是從原子中響出的真正的天籟,是各種完整關係的和音,是儘管形形色色,但卻在逐漸加強的秩序與和諧。」

大珠小珠落玉盤,當我們在化學課堂上傾心聆聽大自然中化學現象、化學物質和化學原理中內潛的天籟之音,這樣「有聲」的化學教育無疑是震撼人心的,這樣「有聲」的化學教育也是最美的。

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