音乐科学能教会我们什么

大约在4万年前，一个细长的骨笛被遗弃在欧洲中部的一个洞穴里。这件乐器雕刻有五个指孔和一个锥形吹嘴，其年代可追溯到人类开始在此大陆定居的初期。

人类制造音乐已有很长时间了。

即使是那根骨笛，很可能也是我们音乐发展史上的一个近期例子。它精巧的设计暗示了对声学的认识，可能借鉴了长期存在的音乐习俗。但更早的音乐实践却难以捉摸，因为最早的音乐无疑是用身体和声音制造的，随其创作者一同消逝。查尔斯·达尔文曾将我们的音乐行为视为“最神秘的事物之一”。至少在起源方面，他的话至今仍有回响。

在石器时代的长笛演奏家踏足欧洲之前，探索音乐性的一种方法是研究人类的解剖结构。化石显示，我们的南方古猿祖先拥有与大猩猩相似的发声结构，而大猩猩缺乏唱歌的能力。但海德堡人（Homo heidelbergensis），很可能是我们与尼安德特人最后的共同祖先，其发声生理结构与现代人类非常相似。考虑到海德堡人至少在50万年前就已进化，音乐的历史可能长达50万年。

当然，发出音乐的能力并不等于音乐的实际创作。当然，这也不能回答“为什么”的问题。音乐是否足够重要，足以推动进化——为最能歌善舞者提供选择优势？或者它仅仅是与其他发展（如语言）相辅相成的附属品？

一方面，哈佛大学的认知心理学家史蒂文·平克（Steven Pinker）将音乐斥为“听觉芝士蛋糕”。作为对比，牛津大学的进化心理学家罗宾·邓巴（Robin Dunbar）认为，在灵长类动物中，歌唱可能与梳理毛发一样，对于促进社会凝聚力至关重要。这种“远距离梳理”可能比给对方捉虱子更有效，它可能促进了大型人科群体的和谐相处。

音乐确实有助于加强当今的群体联系，尤其是那些在青少年播放列表中占主导地位的“听觉芝士蛋糕”。泰勒·斯威夫特（Taylor Swift）可能是人类进化的顶峰。只是不要试图说服史蒂文·平克。

德斯克福德卡尼克斯（The Deskford Carnyx）

卡尼克斯（Carnyx）是一种可怕的乐器。凯尔特人的号角比马还高，形似野猪头，能在与罗马入侵者的战斗中响起，正如一位古代历史学家所说，“发出一种适合战争喧嚣的刺耳声音”。但苏格兰考古学家在研究1816年从泥沼中发掘出的一个保存最完整的卡尼克斯时，希望能真正听到它的声音。因此，他们委托金属匠约翰·克里德（John Creed）用青铜和黄铜复制了一件。经过400小时的细致工作，运用铁器时代的工艺，制作出了一件足以让凯尔特人自豪的乐器。

音乐家约翰·肯尼（John Kenny）现在演奏复制的德斯克福德卡尼克斯（以其发现地命名）。它庞大的尺寸和精巧的设计，包括一个铰接的下颚和一个带弹簧的木质舌头，提供了可与任何现代乐器相媲美的音乐灵活性：卡尼克斯的音域跨越五个八度，能够压倒长号，或像长笛一样轻柔地歌唱，甚至还能发出类似人声的尖叫等特殊效果。对卡尼克斯的重现，可能是我们最接近听到铁器时代人们说话的方式。

抒情词汇表

音调 (Tone) 特定音高的单一音乐声音，也称为音符。

音高 (Pitch)音调的音乐品质，根据其声波频率的高低而变化。

共鸣 (Resonance) 通过声振动与表面或封闭空间相互作用而放大的音乐音调。

音量 (Volume) 声振动的压力，表现为音乐的响度。

速度 (Tempo) 乐曲演奏的节奏，不与单个音符绑定。通常以每分钟节拍数计算。

节奏 (Rhythm) 不同时值和重音的音调的排列。

旋律 (Melody) 一系列单个音调的排列，以达到音乐效果，又称曲调。

和弦 (Chord) 同时发声的两个或多个音调。和弦是和声的组成部分。

和声 (Harmony)和弦的音乐排列。和声是同时演奏音调的组织。

颤音 (Vibrato)音调音高的微小、快速的调制。这种技巧可能表达情感。

流行音乐的演变

自1958年8月4日起，每周《公告牌》（Billboard）都会根据唱片销量、电台播放和最近的流媒体收听量，编制一份最受欢迎的100首歌曲列表。对伦敦帝国理工学院的进化生物学家阿曼德·莱罗伊（Armand Leroi）来说，这个排行榜在文化上相当于化石记录。莱罗伊和同事们运用音频分析技术，将50年间17000首歌曲的样本进行分类，就像野生物学家会区分物种一样。

这13个标题涵盖了2010年至2010年间各种音乐风格。它们根据和弦变化和音调模式的相似性进行分组。例如，“乡村”（country）等标准音乐风格名称经常出现在多个类别中。莱罗伊的分析表明，一些乡村歌曲可能比被标记为乡村的其他歌曲更接近某些摇滚歌曲。

这些纺锤形图显示了音乐类别在年度基础上的相对受欢迎程度，以宽度表示。阴影的变化标志着重大转型。最显著的转型发生在1991年，当时嘻哈音乐开始风靡美国。早期的两次音乐革命是20世纪60年代中期摇滚乐的爆炸式发展，以及20世纪80年代中期合成器和鼓机的出现。这些新乐器产生了如此广泛的影响，以至于1986年成为音乐多样性最低的一年。

这棵树的分支显示了13个类别之间的高层次关系。例如，布鲁斯摇滚和电子音乐之间的相似性比它们与嘻哈音乐之间的相似性要大。

什么使音乐受欢迎

乔治城大学的神经科学家诺伯托·格里瓦兹（Norberto Grzywacz）甚至无需听一首歌，就能预测一首流行歌曲的受欢迎程度。通过分析1958年至1991年间《公告牌》百强单曲排行榜上的数百首热门歌曲，他和同事们发现了一个他们称之为“和声惊喜”（harmonic surprise）的因素，它似乎解释了从猫王到The Police等所有人的成功。研究人员现在正利用它来实验他们自己创作的计算机生成作品。

问：什么是和声惊喜？答：它是使用稀有的和弦。音乐家在创作旋律时使用大量的和弦。有些和弦经常被使用，有些则很少使用。和声惊喜是一种衡量稀有和弦在歌曲中出现频率的数学方法。

问：这与歌曲的受欢迎程度有什么关系？答：我们发现了和声惊喜与歌曲受欢迎程度之间的两种联系。第一种是，与和声惊喜较少的歌曲相比，包含许多惊喜和弦的歌曲更有可能登上《公告牌》百强单曲排行榜的榜首。第二种是，歌曲在不同部分的和声惊喜变化有助于歌曲的受欢迎程度。一首歌的主要部分是主歌（verses）和副歌（choruses）。主歌讲述歌曲的故事。副歌是那些有重复歌词，大家一起唱的部分。我们发现，在成功的歌曲中，主歌的和声惊喜往往高于副歌。因此，在主歌到副歌的过渡中，和声惊喜的量往往会下降。而那些未能登上《公告牌》榜首的歌曲，则没有出现同样的和声惊喜下降。

问：哪些流行歌曲展示了惊喜与可预测性的理想结合？答：在披头士乐队的《A Hard Day’s Night》中，开头的和弦是我们分析过的歌曲库中最具和声惊喜的和弦之一。然后，当歌曲从开场过渡到副歌时，和声惊喜的下降幅度非常大。在其他情况下，从桥段（bridge）到副歌，惊喜的下降幅度很大。（桥段是一种音乐工具，它打断歌曲的重复模式，以吸引听众的注意力。）在Police乐队的《Every Little Thing She Does Is Magic》中，这一点尤为明显。

另一方面，也有几首歌曲虽然出自成功的艺人之手，但相对而言却失败了。这些歌曲的例子包括猫王的《Judy》、披头士的《I Don’t Want to Spoil the Party》和The Kinks的《Till the End of the Day》。我们的研究结果或许解释了这些歌曲为什么“失败”了。它们具有较低的和声惊喜，并且主歌和副歌之间的惊喜下降幅度也很小。

问：您的公式能否帮助艺术家创作更抓耳的歌曲？答：我经常开玩笑说，我们可以通过为音乐家提供如何创作流行歌曲的建议来发财。然而，创作一首热门歌曲的道路不仅在于探索和声惊喜。节奏、歌词和其他因素都在歌曲的成功中发挥着重要作用。尽管如此，我们的实验室一直在进行一系列关于和声惊喜变化的计算机生成“旋律”的实验。我们请受试者按偏好顺序对这些歌曲进行排名。尽管这些旋律是计算机生成的，但人们表现出的偏好与我们发现的和声惊喜原理非常吻合。

音乐的语义

那些能沉浸在民谣的优美悲伤或死亡金属的强烈愤怒中的听众知道，音乐具有意义。但法国国家科学研究中心（National Center for Scientific Research）的语言学家菲利普·施伦克（Philippe Schlenker）认为，音乐不仅仅是传达情感的方式。通过模仿我们在日常生活中体验声音的方式，作曲家嵌入了额外的细微差别来帮助讲述他们的故事。

当乐器的音高低于周围的声音时……

含义：声源更大。原因：较大的声源具有较大的共鸣腔。现实生活示例：大象的吼叫声。音乐示例：卡米尔·圣-桑（Camille Saint-Saëns）的《动物狂欢节》中的“大象”。

当音乐的音高下降时……

含义：声源正在失去能量。原因：缓慢的运动产生较低频率的声音。现实生活示例：电池快没电的录音机。音乐示例：弗雷德里克·肖邦（Frédéric Chopin）的夜曲 Op. 9, No. 2 的最后两个小节。

当乐器的音量比周围的声音小时……

含义：声源的能量较少。原因：低能量声源产生的声压较小，因此音量较低。现实生活示例：轻柔吹响的哨子。音乐示例：弗雷德里克·肖邦的《雨滴》前奏曲（Prelude Op. 28, No. 15）的最后几小节。

当音乐的音量增加时……

含义：声源正在靠近。原因：当声源更近时，更大的声压（音量）会到达听众。现实生活示例：一辆驶近的汽车。音乐示例：古斯塔夫·马勒（Gustav Mahler）第一交响曲第三乐章中的“雅克兄弟”（Frère Jacques）。

当音乐的速度比之前慢时……

含义：声源的移动速度较慢。原因：声音可以表明声源的动作。现实生活示例：缓慢的脚步声。音乐示例：卡米尔·圣-桑的《动物狂欢节》中的“乌龟”。

当颤音增加时……

含义：声源的情感更强烈。原因：声音中的颤音似乎表明在情感激动的情况下，声音控制能力减弱。现实生活示例：说话颤抖。音乐示例：马克斯·布鲁赫（Max Bruch）的《往日情怀》（Kol Nidrei）。

音乐厅的声学

被誉为世界最佳音乐厅的维也纳音乐厅（Musikverein）之所以拥有卓越的声学效果，很大程度上是偶然的结果。其建筑设计是19世纪60年代风格偏好和工程限制的副产品。阿尔托大学（Aalto University）的声学专家塔皮奥·洛基（Tapio Lokki）和尤卡·帕蒂宁（Jukka Pätynen）分析了这个著名的“鞋盒”式音乐厅，以了解为何在此演出的音乐总是受到赞誉。

1. 侧墙：声音在房间内反射时会变得丰富，因此不会同时到达人们的耳朵。音乐厅的侧墙狭窄且布满雕像，尤其有助于增加来自侧面的声音反射。这产生了混响，让听众感觉完全被声音所包围。

2. 包厢：低音乐器的低频声波，其波峰之间的距离长达数码。这些声音需要非常宽的表面才能正常反射。深邃的侧包厢为低频声音提供了足够的空间进行散射和反弹。与礼堂的侧墙一起，包厢确保了全频谱声波的流通。

3. 天花板：音乐厅的高天花板提供了另一个延迟，比墙壁和包厢提供的延迟更长。由于镀金的表面能有效反射高频声音，天花板的表面处理也可能有助于音乐的整体亮度和清晰度。

4. 地板：许多现代音乐厅通过阶梯式座椅优化视野，但阶梯式地板在声学上是有害的，笨重的椅子也是如此。高靠背的座椅会阻挡来自房间四周反射的声音，阻止音乐完全包围听众。音乐厅平坦的地板和椅子下方的空间也让观众能够听到能够烘托宏大渐强段的低频声音。

5. 舞台：带有平坦地板的抬高舞台可能会影响观众对音乐家的视线，但视觉上的劣势被对听觉的积极影响所抵消。额外的高度可以防止观众听到从舞台反射的声音，这会改变音乐的“感觉”。硬木舞台地板通过不产生共鸣来增强低音；共鸣的舞台会通过振动吸收能量，从而减少房间其他地方的声能。

6. 管风琴：即使没有人演奏管风琴，它也起着重要的作用。该乐器完美地位于能够向所有方向扩散声音的位置，并将更多的声能引导至侧墙，以最大化包围性的混响。这种扩散还能防止音符演奏后，声音在房间里回荡太久而变得令人分心。