震惊！中国人在《Nature》上发表的第一篇文章居然是声学的！

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引言

当今，科学界有两大顶尖期刊，一个是1869年创刊的《Nature》（自然），一个是1880年创刊的《Science》（科学），能在这两个杂志上发表论文得是什么水平？这么说吧，能上央视新闻。

开个玩笑，其实这两本杂志代表了全球科学研究的巅峰水平，能在上面发表文章，基本上等于叩开国际顶级学术圈的大门。根据统计数据，全国1300多所本科院校，其中1200多所学校至今未曾在这两本杂志上发表过任何文章，另外，2024年在该两本杂志上发过文章的院校中，有约70%一整年也就发表了一篇，足以见得能在这两本杂志上发表文章是多么稀罕的事！

但是！我们声学就是这么有出息!中国人第一次在《Nature》上发表文章是1881年，发的就是声学领域的文章，题目为《考证律吕说》，英译名为《Acoustics in China》，作者是被誉为“晚清科技总设计师”，启蒙了整个中国近代科学的徐寿先生。

那么这篇文章具体讲了什么？古代中国关于声学有什么研究？一起来看看吧~

清朝十二律黄钟管（图源：中国集邮有限公司）

在正式介绍文章内容前，先和大家普及三个基本概念：

首先，“律吕”是个什么东西？

在中国古代乐律体系里，“律吕” 是极为重要的概念，十二律中奇数各律称 “律”，偶数各律称 “吕”，它们与音律、度量衡、天文历法紧密交织。

其次，“定音律管”是什么？

中国古代采用弦音和管音相合的方式确定音律，以弦定律，以管定音，一个很重要的声学研究领域便是利用“音高标准器”确定“标准音高”，这个“音高标准器”的表现形态就是一个个的律管，即是声音的“度量衡”，如《汉书・律历志》就记载以长 9 寸、内径 3 分的黄钟律管作为基准音高。传统观点认为，律管发音主要由管长决定。

最后，“律管管口校正”又是什么？

它是以管定音律的一种数据校正。为什么要校正？因为管律计算以管中气柱的长度为标准，这个长度实际上要比管长略长，所以要达到准确的音律，在计算时就要对按一般计算方法所得的管长数进行适当调整，以使柱长度正好符合规定的律数。

一、挑战传统：以实践突破传统理论缺陷

《考证律吕说》围绕定音律管的管口校正开展论述，主要内容可以概括为三个部分：

发表在 Nature 上的《考证律吕说》（图源：网络）

第一部分，对律管发音原理提出突破性研究结论，即除了管长外，律管的发音还受到管径、管壁厚度以及空气柱震动等多种因素影响。徐寿先生认为，单纯以管长定音高的方法存在极大局限性，为了证实这一观点，他展开了大量严谨的实验。他选用不同管径、管壁厚度的律管，在各种实验条件下反复测试，仔细记录每一次律管发音的音高数据。通过对这些丰富实验数据的深入分析，揭示出律管发音的复杂规律：管径的细微变化，会显著改变律管内空气柱的振动状态，进而影响音高；管壁厚度不同，对声音的共鸣效果也截然不同，最终也会反映在音高变化上。

第二部分，对丁铎尔先生在《声学》一书中的观点进行纠正，即两支相差八度音的开口管，长度比例并非 2:1，而是 9:4。著名物理学家丁铎尔（John Tyndall）在其《声学》（徐建寅、傅兰雅译）一书中提到，有底管、无底管发出声音的吹奏振动数，在一定时间内，皆与管之长度成正比。通俗来讲，按照这一理论，如果要让开口管发出高八度的音，那就必须精准地将管长截去一半。徐寿先生对此存疑，他找来一根 9 英寸长的铜管，亲自动手实验验证。第一次，他把铜管长度直接截去一半，但与原管相差八度的音并没有出现，预期的结果没有出现反而激起了他的探索欲望；第二次，他在第一次的基础上又将铜管长度再截去半英寸，得到了准确的高八度音。多次重复实验后，他得出结论，即两支相差八度音的开口管，长度比例并非传统理论认为的 2:1，而是 9:4，同时也侧面印证了传统理论中关于空气柱振动模式与音高关系的说法存在偏差。

第三部分，将中国古代的“三分损益法”与西方的“十二平均律”进行对比，阐述应用影响。“三分损益法” 最早记载于春秋时期《管子・地员篇》，原理是将弦长按 “三分损一”（减少 1/3）或 “三分益一”（增加 1/3）的比例计算，从而得出宫、商、角、徵、羽五声音阶。徐寿先生在深入研究中国古代律吕学说的基础上，经大量实验与精确计算，将三分损益法” 产生的音律，与西方十二平均律的音高进行细致对比。他发现，“三分损益法” 生成的音律，在某些音程关系上，与西方十二平均律存在明显差异，这种差异会导致在实际音乐演奏中出现旋律风格、和声效果等偏差。

二、登上《Nature》：向世界传达中国科学技术研究成果

徐寿先生与好友傅兰雅在1875年左右创办了我国最早的科技期刊《格致汇编》，这篇《考证律吕说》原登载于《格致汇编》1878年第7卷上，后由傅兰雅译为英文，于1881年在 Nature 发表。

徐寿先生创办的我国最早科技期刊《格致汇编》（图源：网络）

《Nature》杂志编辑部对这篇文章评价颇高。在编者按中，编辑斯通博士写道“（这篇论文）以真正的现代科学矫正了一项古老的定律，这个鲜为人知的事实的证实，竟是来自那么遥远的（中国），而且是用那么简单的实验手段和那么原始的器具来实现的，这是非常出奇的”。

徐寿先生的《考证律吕说》，不仅为中国古代声学知识在国际上赢得认可，还向世界传达了中国的先进科学技术研究成果，更向世界展示了中国学者的严谨科研态度以及勇于探索的创新精神。

三、发展遗憾：中国古代声学研究收山之作

律吕研究在多个历史阶段都有重要进展，有文字可考的实践至少可追溯到公元前11世纪，虽然晚清时期中国在自然科学领域已全面落后于西方国家，但在律管的管口校正方面尚能与世界一流科学家保持对话水平。

根据《史记》记载，商周交替时期即有关于乐律研究的实践，“武王伐纣，吹律听声”；《尚书》中有“同律度量衡”的记载，把统一音高标准与规范度量衡同视为一国之君的头等大事；春秋时期，《管子・地员篇》记载了 “三分损益法”；战国时期，《吕氏春秋》在 “三分损益法” 的基础上进一步发展，构建出了十二律体系，著名的曾侯乙编钟就是十二律体系在乐器制造上的杰出代表，整套编钟音域跨越 5 个八度，半音齐全，音准误差不超过 5 音分；晋代乐律学家荀勖在制笛时，已实际运用了“管口校正”法；北宋景祐年间乐律学家胡瑗著有《景祐乐府奏议》《皇祐乐府奏议》和《皇祐新乐图记》（与阮逸合著）等音乐专著，并和阮逸采用缩小管径的方法校正管口；朱元璋九世孙朱载堉发明十二平均律，以珠算开方的办法求得律制上的等比数列，第一次解决了十二律内自由旋宫转调的难题，并提出“异径管律”理论，使得律管可以按照三分损益律制度进行准确的定音；此外，二十四史中有16部单辟《律历志》或《乐书》一章，专门记述相关时代的乐律学成果以及音高标准的计算方法。

朱载堉《乐律全书》书影（图源：科普时报·王渝生）

随着时代的变迁和科技的发展，传统律吕理论在进一步解释声学现象和解决实际问题时面临诸多挑战，近代西方近代声学知识传入，带来了全新的理论体系和研究方法，与中国传统律吕理论形成了鲜明对比。徐寿先生的《考证律吕说》正是在这样的时代背景下创作而出，他尝试融合中西声学知识，对传统律吕理论进行重新审视和研究，但由于各种原因，未能为中国声学研究开辟新道路，反而成了中国古代声学研究的“绝响”。

四、一代传奇：格物而后致知

徐寿先生像（图源：网络）

徐寿先生的一生可谓传奇！他不仅是第一个在《Nature》上发文章的中国人，还是中国第一台蒸汽机的制造者、第一艘轮船的制造者、第一艘军舰的设计者、第一所教授科技知识的学校的创办者、第一本科技期刊的创办者、第一批化学教材的译著者、化学元素汉译名的译者。他涉猎的科技范围极广，涵盖律吕（声学）、几何、力学、矿产、汽机、医学、光学、电学等各方面。