郑伊健版《虫儿飞》：科学视角下的听感体验
郑伊健版《虫儿飞》：科学视角下的听感体验
1998年，一首名为《虫儿飞》的歌曲随着电影《风云雄霸天下》的上映而走红。这首由林夕作词、陈光荣作曲、郑伊健演唱的插曲，以其优美旋律和浪漫歌词赢得了大众的喜爱。歌曲中描绘的萤火虫飞舞场景，不仅营造出温馨浪漫的氛围，还蕴含着丰富的科学知识。
萤火虫的发光奥秘
萤火虫是陆地生物中能够进行生物发光的种类最多的生物群体之一，至少1亿年前萤科祖先昆虫就已具备发光能力。萤火虫闪光信号起源于幼虫阶段，后进化为成虫的两性交流信号，闪光信号在萤科中趋同进化了两次，部分萤火虫闪光信号独立进化了3次，既利用闪光信号进行求偶，又模仿其他种类萤火虫的求偶信号进行捕食。
除了一些昼行性的窗萤及锯角萤等的成虫不具备发光能力，大部分夜行性萤火虫的卵、幼虫、蛹和成虫均可发光，但也有少数弩萤属等的幼虫会发光但成虫却不发光。发光是由一系列连续的微小脉冲组成，颜色一般为黄色、 绿色、 黄绿色或淡红色。多数种类的萤火虫都是雄成虫到处飞寻找雌成虫，而有些种类则是雌萤发出很强的光吸引雄萤。当萤火虫吸入乙酸乙酯几分钟后腹部发光器就会发出持续的光。
萤火虫的成虫通过腹部发光器进行发光和调整频率，其主要作用包括利用光信号交流、求偶、警戒和诱杀等。幼虫发光是为了交流、照明和警戒敌害；蛹发光是为了警戒敌害；卵发光可能是类似幼虫和蛹的警戒行为。生物荧光也可以作为群体的防御信号，当萤火虫被蜘蛛网粘住或被捕捉时，它们会发出沮丧信号来警告其他个体；有些幼虫的生物荧光也是一种防御捕食者的信号。
发光信号是萤火虫夜行性的显著特征，利用分离的闪光信号可以完成种间、种内和交配的识别。不同种类萤火虫的发光信号在长度和节律上都存在差异，根据发光动力学将发光分为三类：
第I类闪烁（flashes），持续时间少于2秒
第II类闪光（glows），持续时间长于2秒
第III类连续发光
第I类闪烁可以表现出强烈而短促的闪光，具有防卫效果；后两类可以吸引对闪光敏感的天敌。
人耳的听觉原理
当我们聆听《虫儿飞》时，悠扬的旋律是如何传入我们的耳朵并被大脑解读的呢？这背后涉及复杂的听觉原理。
声音由在可压缩介质（特别是液体和固体）中传播的振动组成。在不同的介质中，声音的特性也各有不同。本文不仅讨论频率、波长和声强的概念，还会以秋千和小提琴的乐音为例，来进一步说明模态和共振的概念。
声音又名声波（acoustic waves），是一种疏密相间的波，能够通过空气或任何其他可压缩的介质，从声源传播到接收者；声源通常为受到机械激励的具有一定弹性的固体材料，如：一块受到锤子敲击而振动的铁砧，一根被音乐家手指拨动的吉他琴弦，或一片因电磁铁作用而鼓动的扬声器膜片。同样地，空气或水等流体在受到扰动（如螺旋桨、喷嘴喷出的气流、车辆运动产生的湍流等）而出现压力波动时，也会发出声音，并在环境中传播。
流体中的分子可以向周围传递自身振动，带动相邻的分子层随之运动，这些分子层又将这种疏密相间的振动继续传递给下一分子层，如此循环（如封面动画所示）。众所周知，空气看似静止，却包含大量不断无规则运动的分子，且可以压缩[1]。空气对改变其分子层密度和位置的振动非常敏感，因而能够传播声波。水同样由无规则运动的分子组成，但密度要比空气大得多（约为空气的800倍），而可压缩性则弱得多（约为空气的1/100000），分子之间存在着难以克服的库仑斥力[2]。水和其他液体也具备传导声音的能力。
当分子间的压力变化传播到接收器，通常是鼓膜（图1）或麦克风膜片等柔性膜时，接收器将随最近的分子层一同振动。对于人耳或动物耳（图2）而言，听觉神经会将接收到的信息传递给大脑，进行识别和解读；而对于麦克风而言，膜片的振动将被转换为电信号记录下来，或由音频扬声器放大后重新传输。
在空气等气体中，声音的传播得益于一大基本性质：分子的运动性。在标准状态下，分子运动的平均速度约为480 m/s（详见《压强、温度和热量》）。但是这种运动并不是定向的，而是向四面八方扩散能量。然而，声音在空气中的传播速度，或者说波速（celerity），反映的则是一个极小体积内的所有分子（即一个流体质点）在同一方向上的集体有序位移。这就解释了为什么声速虽然与分子的平均速度有关，但却只能达到该平均速度的一个分数，约为340 m/s。
真空中的光速约为300000 km/s，空气中的光速与之相差无几。相比之下，声速就缓慢得多。正因如此，在足球比赛中，坐在距离中圈约170米的看台上的观众，在看到球员的脚触球半秒钟后，才能听到踢球的声音。尽管如此，但在相对较短的距离内，如音乐厅一类的小空间，声波就能够原原本本、近乎同步地将乐符信息传递到乐迷耳中供其欣赏。关于声速与光速，有一道经典的练习题：在暴风雨中，我们几乎是瞬间就能看到闪电，那么该如何估算出风暴距离我们有多远呢？
周期（period）T是所有波的主要性质之一；对于声波而言，T是以给定时间点为始，两个相邻密部或疏部的间隔时间。相比之下，周期的倒数即频率（frequency）f（f = 1/T）更为常见，且可与周期起到相同的描述效果。频率表示每秒钟振动的次数，单位为赫兹（Hz，1 Hz = 1s-1）。在声速c和周期T或频率f已知的情况下，可以很容易地计算出声音的振动波长（wavelength of sound vibration）λ= cT = c/f，即两个相邻密部或疏部之间的距离。1000 Hz的频率刚好位于可听声波的频段中点，而与该频率相对应的波长为34 cm（见图3及后文段落）。
在我们所处的环境中，一切物体都处于运动当中，也因此会不可避免地发出声音。在我们体内，血液在循环，肺部在扩张与收缩，消化系统也在持续运转，但我们相对柔软的肉体可以很好地吸收这些压力变化，因此，医生需要用听诊器才能听到我们的心跳或支气管内气流的速度变化。此外，人耳只对15 Hz到15000 Hz这段相对较窄的频谱内的声音敏感。因此，除了自己的嗓音，我们感知不到体内的其他响声，这也使得我们能够将注意力更好地集中在外界的声音上，这些声音通常更悦耳，最重要的是，它们能让我们捕捉到更为有用的信息。不同种类的动物能感知到的声音频段也大相径庭。例如，大象能够发出并听到低于10 Hz的次声波，彼此之间也用该频段的声波进行交流。与之相反，蝙蝠却能发出并听到频率超过30000 Hz的超声波，这些超声波在周围环境中反射产生回声，帮助它们探测完全黑暗的环境。
通常来讲，声速与频率无关，但取决于介质密度，因而对温度和压力的变化非常敏感。介质的密度越小、可压缩性越弱，声速就越大。所以，在可压缩性接近空气、但密度却比空气低得多的氦气中，声速约为其在空气中的3倍。
我们一般用声压（sound pressure）p来表示声音的强度，这一物理量指的是声波造成大气压力局部波动的最大振幅。通常来说，这种波动是非常微弱的。例如，一个正常说话的人会在一米外产生约0.01帕斯卡（Pa）的声压，是正常大气压（约为105Pa）的千万分之一。
声压与图2所示的最大振幅成正比；而相较于声压本身，人耳听觉实际感知到的声音强度显然更与其对数[3]成正比关系。这意味着当声压高出10倍，人耳感受到的声音强度是原来的2倍；声压高出100倍，则人耳感受到的强度是原来的4倍。声波的强度与声压的平方成正比，故取10log10（）=20log10（p/pref）来表征声音的强度，并称之为分贝。分贝（dB）或1/10贝尔是常用的声强单位，是为了纪念发明电话的苏格兰科学家格雷厄姆·贝尔（Graham Bell，1847-1922）而命名的。它等于20 log10（p/pref），其中p表示声压，pref为参考压力，随机设定为20 μPa（20×10-6帕斯卡，或十亿分之零点二个标准大气压），这一参考值能够代表大多数人的最低听力阈值[4]，即0 dB。
音乐听感的科学解释
音乐的美妙之处在于它能触动我们的心灵。从科学的角度来看，音乐听感主要涉及以下几个方面：
- 音高：由声波的频率决定，频率越高，音调越高
- 音色：不同乐器或人声的特色，由谐波成分决定
- 音量：声音的强弱，与声压有关
- 节奏：音乐的时间感，由音符的长短和强弱变化构成
在《虫儿飞》中，郑伊健的嗓音温暖而富有磁性，配合简单的旋律和和弦，营造出一种宁静而梦幻的氛围。歌曲中的童声伴唱则增添了一份纯真和灵动，让人仿佛置身于一个充满萤火虫的夏夜。
创作背景与情感表达
《虫儿飞》的创作背景与电影《风云雄霸天下》中聂风和孔慈的爱情故事紧密相连。在电影中，这首歌有两个版本：一个是童声伴唱版，出现在聂风背着孔慈在剑冢中穿梭的场景中，周围是闪烁的萤火虫，营造出一种纯真的情感氛围；另一个是清唱版，在孔慈去世后，聂风在颓败的剑冢中怀念往事时响起，突显了内心的悲伤。
歌词中反复出现的"虫儿飞"象征着对爱情的追寻，"天上的星星流泪，地上的玫瑰枯萎"则描绘了爱情的凄美。整首歌通过简单的旋律和富有画面感的歌词，传达出一种既孤独又温暖的情感体验。
结语
《虫儿飞》不仅是一首优美的歌曲，更是一首融合了科学与艺术的佳作。通过了解萤火虫的发光原理和人耳的听觉机制，我们能更深入地体会到这首歌所蕴含的科学之美。同时，歌曲通过简单的旋律和富有画面感的歌词，传达出一种既孤独又温暖的情感体验，展现了艺术的魅力。这种科学与艺术的完美结合，正是《虫儿飞》能够打动人心的原因所在。