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1700725426 “无序态”中的元素如同幼儿园中的小孩子,当老师不在场时,没有统一号令,也不知道怎样相互合作,所以各自为政。用数学物理学的语言来说,n个孩子就有n个自由度,也称他们处于“高度无序态”。
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1700725428 “有序态”中的元素如同仪仗队中的士兵,高度合作,统一行动,就如一个人一样。用数学物理学的语言来说,n个士兵只有一个自由度,也称他们处于“高度有序态”。
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1700725430 而“相干态”中的元素则犹如芭蕾舞中的演员。当芭蕾舞表演非常成功、非常优美时,每一个演员都会成为一个独立的美丽的图像,然而,把任何两个演员或任何几个演员放在一起看时,还是一幅又美丽又谐和的图像。也就是说,各个演员之间的合作和协调都是极好的,非常谐和。这时,用数学物理的语言来说,n个演员有2n-1个自由度。
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1700725432 更重要的是这个整体图像还不是静态的,而是动态的。所以“相干态”不是静态的,而是动态的。
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1700725434 从组合的角度看音乐
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1700725436 从声学的角度来看,音乐是许多不同频率的“组合”,包括空间的组合与时间的组合。当然,我们可以容易地用“拆分论”的方法来研究音乐。例如,几乎所有的音乐都可写成乐谱,而乐谱是一个个单个音符的组合。用“拆分论”的方法,我们还可以把单个音符进一步分解成许多不同单个频率的组合(图13-2)。
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1700725438 在这许多不同单个频率的组合中,有一个频率我们称之为“基频”(fundamental frequency),例如,音符“A”的基频是440赫兹,而音符“C”的基频是524赫兹。
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1700725443 图13-2一个音符的频率分析
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1700725445 除了这个“基频”之外,单在一个音符之内,还有许许多多的“泛音”(overtones)。这些“泛音”一般是“基频””的整数倍,即1倍、2倍、3倍……不同的乐器有不同的“泛音”组合,音乐家把它们称为“音色”(tone colour or timbre)。根据不同的音色,我们可以区别不同的乐器,甚至可以区别不同的人。
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1700725447 显然,一曲谐和的音乐绝对不可能是“无序态”。图13-1中的音符组合只能产生一片噪音。但是,也不能是“高度有序态”,所有的音符和音频都是统一的,就如仪仗队中的士兵。因为,那也不是音乐,只是一种单调的叫声。
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1700725449 那么,什么是“相干态”呢?“相干态”的音乐是怎样的?“相干态”的芭蕾舞又是怎样的?如果我们知道了什么是“相干态”的音乐和“相干态”的芭蕾舞,那么我们就比较容易理解,什么才是谐和的生命。
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1700725451 “1+1=3”:“谐和”的基本数学公式
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1700725453 其实,科学地、定量地计算“谐和”的程度,并不像一般人想象的那样可怕、那样艰难,我们甚至可以用很初等的数学来说明其最基本的原理。
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1700725455 首先,让我们仔细看一看图13-3,并且数一数,在这张照片中,一共有几个演员。
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1700725457 “两个演员!”,所有学过算术的孩子,包括一年级的小学生和幼儿园大班的孩子,都会骄傲地大声叫起来。而所有的家长,都会面带微笑,满意地点点头。这个问题实在太简单了,这个答案也绝对不会错。并且好像也不会有其他答案。
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1700725459 遗憾的是,这并不是绝对正确的答案。也就是说:“1+1=2”并不是绝对的真理。事实上,不但有“1+1=2”,还有“1+1=1”和“1+1=3”等不同的数学。现在,我们把“1+1=2”、“1+1=1”和“1+1=3”这三种不同的数学,一一加以讨论。
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1700725464 图13-3照片中共有几个演员?
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1700725466 第一种情况:1+1=2。
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1700725468 1+1=2,以及1+1+1=3、1+1+1+1=4等等是大家都非常熟悉的数学,并且认为这是唯一的真理,不可能有其他的答案。其实,这是对数学的很大误解。从前面讨论过的三种状态,即“无序态”、“有序态”和“相干态”来说,1+1=2只适用于“无序态”,也就是适用于幼儿园中小孩子那样的“混沌态”,既不适用于“有序态”,也不适用于“相干态”。也许,正是因为我们这个世界太混沌了,所以,到处看来看去,都是1+1=2。
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1700725470 第二种情况:1+1=1。
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1700725472 对于“有序态”不但有1+1=2,还有1+1+1=1、1+1+1+1=1等等。可能大家会有点不习惯这种奇怪的数学。但是,如果我们回想一下那些仪仗队中的士兵,不管有多少士兵,就如1个人一样,不要说2个士兵像1个人,100个士兵也像1个人,也就是说100个1加起来,还是等于1。
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1700725474 第三种情况:1+1=3。
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