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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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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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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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“1+1=3”:“谐和”的基本数学公式
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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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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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“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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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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图13-3照片中共有几个演员?
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第一种情况:1+1=2。
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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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第二种情况:1+1=1。
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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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第三种情况:1+1=3。
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然而,对于“相干态”来说,数学就更奇怪了。既不是1+1=2,也不是1+1=1,而是1+1=3、1+1+1=7、1+1+1+1=15等。而这种数学正是“相干态”的核心所在。
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为了能很好地理解这种奇怪的1+1=3,让我们再回过头来,细细看看图13-3。一眼看去,图13-3中只有两个演员,一男一女。如果我们把他们分开来看,他们每一个人都跳得很漂亮,各自形成一幅美丽的图像,也就是两张独立的图像。但是,如果我们把他们两人放在一起,又出现了第三张更美丽的图像。这第三幅图既不单属于男演员,也不单属女演员,只有当他们两人密切配合时才会出现,而这就是1+1=3。
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同样地,对于一个演员来说,也不是身体各部分的简单加法。例如,那位女演员跳得很美,但是,那美丽也不单单在左腿上,或单单在右腿上,或单单在左手上,或单单在右手上,而是全身各部分协调运动和密切配合的结果。同样地,对于有许多的演员的芭蕾舞来说,美丽还取决于许许多多演员之间的协调运动,以及演员之间密切的配合。
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于是,当我们面临图13-4这样的芭蕾舞时,我们应该怎样来计算这些演员可以配合形成的美丽图像的数目:
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在理想的“相干态”,也就是对最美的芭蕾舞来说,计算方法是这样的:
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两个演员:1+1=22-1=3
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三个演员:1+1+1=23-1=7
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四个演员:1+1+1+1=24-1=15
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五个演员:1+1+1+1+1=25-1=31
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六个演员:1+1+1+1+1+1=26-1=63
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