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音乐起源之谜（六）——音乐和舞蹈统一于节奏运动: 热度 13 WANGTianyan1983 2015-5-8 14:15; 音乐起源之谜（六） —— 音乐和舞蹈统一于节奏运动前言：上一节对音乐的简化得出，一条时间线上的“节奏性相对音高”是旋律的本质，是音乐的本质。本节将通过声音的多普勒效应把“节奏性相对音高”解析为抽象发声物体的节奏性运动，从而对音乐认知中的“旋律不变性”问题给出解释，而且将音乐和舞蹈统一于“节奏运动”。进而将对音乐起源的探究，转化为对人类欣赏和制造节奏运动的研究。纷繁复杂的音乐现象已经从音乐感知和认知层面简化到“节奏性相对音高（ rhythmic relative pitches ， RRPs ）”，接下来需要从 RRPs 着手继续探究音乐的起源。一如我们在享用美食时不会去想食物里糖、脂、蛋白质等成分，以及它们的分子结构和营养效果；我们在欣赏音乐时也不会去想 RRPs 相关的问题，甚至绝大多数人根本没听过 RRPs 这个奇怪的东西；在这两种情况下，我们只会本能地去享受美食的香甜可口和音乐的优美曼妙。但是要研究音乐的起源，我们必须回答这个问题：人类为什么会欣赏 RRPs ？如前所述，我们的“眼、耳、鼻、舌、身”能感知外界的“色、声、香、味、触”等信息，我们耳朵感知到的声音，归根结底是一种信息载体。既然从音乐认知的层面已经不能再对 RRPs 进行简化，那么有必要从信息传递的角度研究 RRPs 所承载的更深层次内容。声音及其信息传递功能宇宙飞船的太阳能帆板接收光波是为了获得能量，虽然声波也能传递能量，显然动物的耳朵不是用来获取能量，而是用来获取信息的。和眼睛对可见光的感知一样，耳朵对声音的感知可以帮助动物了解环境中正在发生的事情，以便决策下一步的行为，最终获得生存和繁衍的利益。故事里小动物听到木瓜掉到湖里的声音就四散而逃，“咕咚”声被误以为是怪兽；电影《大话西游》里唐僧那句“大雷啦，下雨啦，收衣服啦”戏谑而经典，道出了亘古不变的真理，“轰隆”的雷鸣往往预示着即将到来的暴雨；成语里“隔墙有耳”一词，寓意作为语言的人声承载着更加复杂的信息，小到家长里短，大到国事军情。由此可见，无论是最简单的“咕咚”，还是最复杂的语言，都承载着大量的信息。以上是声音作为一个整体在传递信息中的作用，如果把声音解剖成部分，其不同要素也可以传递不同的信息。声音本身含有三个基本要素：响度（ loudness ）、音色（ timbre ）和音高（ pitch ） ( Hubbard, 2010 ) 。音色由发声物体的材料和质地等因素决定，所以音色可以鉴定发声物体或个体的身份。比如，我们可以靠声音区分钢琴和小提琴，区分张三李四和王五。声音的响度由发声物体的振幅决定，物体振幅越大，声音响度越大；反之，物体振幅越小，声音响度越小。不同的响度可以度量一个发声事件的大小。音高由发声物体的振动频率决定，振动频率越大，声音音高越高；反之，振动频率越小，声音音高越低。不同音高的声音也可以传递不同的信息，动物在遇到危险的时候往往会发出高音信号警示或救助于同类，比如一些女士遇到老鼠或蟑螂时的惊声尖叫。现在回到音乐的最简模式 RRPs 。 RRPs 非但不是一个完整的声音信号，甚至连声音的基本要素都不算，因为 RRPs 不是一段连续的绝对音高，而是一段连续的相对音高。由于某些动物的鸣叫和人类的语言也是一段连续的声音组合，于是有科学家提出音乐是语言进化的副产品。如果按这个说法， RRPs 应该和语言有莫大联系。不幸得很，虽然世界上语言种类众多，但是调性语言甚少。作为调性语言的汉语，虽然使用者几乎占全球四分之一人口，但是汉语里“妈、麻、马、骂”的调性和音乐里的 RRPs 也完全不相干；因为我们理解每句话的含义，不是基于这句话里每个字的声调组合，更不是基于每个字声调之间的相对音高，而是基于每个字的意义组合。 RRPs 到底是何方神圣？到底传递了何种信息？其传递的信息对动物和人类的生存繁衍有何意义？上面这些讨论算是排除干扰，下面直入要害。多普勒效应及回声定位系统 1842 年，奥地利物理学家及数学家 Christian Doppler 提出了“多普勒效应（ Doppler effect ）”。根据多普勒效应，光波、声波、水波等辐射源与观察者之间的相对运动，会影响这些辐射波的观测频率 ( Rosen, 2009 ) 。当辐射源与观察者之间距离缩小时，相关波的观测频率增加，称为“蓝移（ blue shift ）”；反之，当辐射源与观察者之间距离增加时，相关波的观测频率减小，称为“红移（ red shift ）”。光波的多普勒效应一般应用于天体学，水波的多普勒效应可以在行进着船只和游动着天鹅的湖面观察到，而声音的多普勒效应可以在汽车和飞机的行进中观察到（图 1 ）。图 1. 多普勒效应。 A. 天体的蓝移和红移（示意图）与光波的多普勒效应相关（图片来源：网络）； B. 水波的多普勒效应（图片来源：维基百科 Doppler effect 词条）； C. 声波的多普勒效应（图片来源：网络）。相较光波和水波的多普勒效应，声音的多普勒效应更贴近自然和生活。某些动物，比如一些蝙蝠、鲸鱼和海豚（图 2 ， A ）具有回声定位系统 ( Au and Simmons, 2007 ; Parker et al., 2013 ) 。这些动物通过发出声音脉冲信号、接收和分析回声信号，以探测周遭事物及其运动状态 ( Nelson and MacIver, 2006 ) 。蝙蝠在黑夜中不但能探测到周围的障碍，从而有效避闪；而且能探测到猎物的运动方向及速度，从而成功捕获猎物 ( Ulanovsky and Moss, 2008 ; Corcoran and Conner, 2014 ) 。基于动物回声定位系统的原理，人类发展出了声呐系统，声呐系统被装备于船只和潜艇，用于鱼群探测、海底测绘、敌情侦察等（图 2 ， A ）。图 2. 回声定位系统和多普勒效应。某些蝙蝠和鲸鱼利用回声定位系统探测和跟踪猎物，潜艇等航海设备所装备的声呐系统依此设计（ A ）；回声定位系统和声呐系统对猎物和外界环境的探测，涉及多普勒效应的应用（ B ）。图片来源：网络。不管是动物天生的回声定位系统，还是人造的声呐系统，都会涉及到对声波多普勒效应的分析（表 1 ）。以蝙蝠为例（图 2 ， B ；图 3 ， A ），对猎物运动状态的明察秋毫是成功捕猎的前提条件之一，不过猎物的运动状态对蝙蝠来说是一个未知数，蝙蝠需要用一整套的感觉运动器官和神经系统来求解之。首先，蝙蝠已知自己发出的超声波频率，以及自身的运动状态（包括运动的方向和速度）；然后，当超声波遇到环境中静止或运动的物体后，反射回来被蝙蝠接收，这样又多了一个已知条件；最后，蝙蝠的大脑整合上述已知条件，计算出障碍物的形状和距离，以及猎物的运动方向和速度。由此可见，某些动物利用多普勒效应将声音频率的变化解析为猎物的运动状态。巧的是， RRPs 也是一系列变化的声音频率，那么 RRPs 和多普勒效应是否有联系呢？表 1. 多普勒效应中观察频率 f 与发射频率 f 0 之间的关系 ( Wang, 2015 ) 大脑将“节奏性相对音高”解析为“节奏运动” 虽然人类不具备蝙蝠和鲸鱼那样高超的回声定位系统，不过回声定位功能在人类并不罕见。 Stroffregen 等人早在 20 年前就综合前人研究，提出回声定位可能是人类最基本的感知能力之一 ( Stroffregenand Pittenger, 1995 ) 。近年的研究表明，无论是盲人还是正常视力的人群，都具有或多或少的回声定位能力 ( Schenkman and Nilsson, 2010 ) ，人们通过舌头或指关节制造声响，分析这些声响遇到障碍后发出的回声，以此对外部环境达到一定的认知 ( Buckingham et al., 2014 ; Fiehler et al., 2015 ) 。即便人类的回声定位能力远逊某些动物，我仍然认为人类保有发达机制以解析声音的多普勒效应，其进化意义在于认知环境中声音事件的运动状态。据此我提出假说：人类在欣赏音乐时，将音乐中的 “节奏性相对音高（ RRPs ）” 转化成了一个虚拟发声物体的“节奏运动”（图 3 ）。人们对音乐旋律的欣赏，就是对节奏运动的欣赏 ( Wang, 2015 ) 。图 3. 人脑将“节奏性相对音高”解析为“节奏运动”。即便人类的回声定位能力远逊某些动物，我仍然认为人类保有发达机制解析声音的多普勒效应。并据此提出假说认为：人类在听音乐时，将音乐中的“节奏性相对音高”转化成了一个虚拟发声物体的“节奏运动” (Wang,2015) 。图片来源：网络。这个提法虽然新颖而大胆，不过同时也面临一些问题，主要可能有三方面，我逐一阐述如下。第一个问题：人脑将音乐旋律转化为节奏运动是个重大的事件，为什么我们不知道？人们对自己的认知可以分为四种：我知道我知道，我知道我不知道，我不知道我知道，我不知道我不知道。我想，我们对人脑将音乐旋律转化为节奏运动的认识应该属于“我不知道我知道”。大脑一直在将音乐旋律转化为节奏运动，这是“我知道”；但是我们在日常生活中根本没有意识到这个事件，所以属于“我不知道‘我知道’”。换句话说，我不知道我的大脑知道音乐里蕴含的节奏运动。然而事实上，对于大脑将音乐解析为运动这件事情，我们并不是完全不知道。在听音乐时，我们总感觉有个声音在跳动，常常会联想起一些运动的事件，比如轻柔的音乐旋律可能让我们想到微风拂柳，而激烈的旋律可能会让我们想到战争和体育运动。所以，对于人脑将音乐旋律转化为节奏运动这件事情，我们只是未能意识到，或者略微意识到。第二个问题：现实中发声物体的节奏运动是否可以通过多普勒效应变成音乐？这个问题曾经一度困扰我，甚至想要放弃这个假说。图 4 是一个虚拟的系统：假设在一条足够长的笔直铁轨上，有一列足够长的火车，火车上有一辆可以在火车顶前后运动的汽车，汽车上载有一个可以持续发声的小号。理论上，当小号持续发出一个音高不变的声音（这里姑且称之“初音”），随着汽车的前后运动，站在离铁轨足够远处 A 点的人，可以因为多普勒效应听到类似音乐的声音。图 4. 以节奏运动“演奏”音乐的虚拟系统。假设在一条足够长的笔直铁轨上，有一列足够长的火车，火车上有一辆可以在火车顶前后运动的汽车，汽车上载有一个可以持续发声的小号。理论上，当小号持续发出一个音高不变的声音，随着汽车的前后运动，站在离铁轨足够远处 A 点的人，可以因为多普勒效应听到类似音乐的声音。图片来源：网络，经过 PS 。这个虚拟系统貌似可以在现实中用发声物体的节奏运动“演奏”音乐，事实上有两个缺陷。其一，这个系统只能“演奏”比“初音”高一个八度和低两个八度之间的音，因为汽车的速度一旦突破音速 340m/s （表 2 ），这个系统就失效了。比如《沧海一声笑》（图 5 ），小号的初始音可以是中音 1 、 2 、 3 、 5 、 6 中的任意一个，即便以中音 6 开始，汽车只需要以 170m/s 的速度背向听者行驶，就能“演奏”低音 6 这个音，再大一点速度可以“演奏”低音 5 ，所以理论上来讲，通过控制汽车的行驶状态可以完整地“演奏”这首曲子；但是初始音不能是低音 5 或 6 ，如果以低音 5 或 6 开始，小汽车只能以接近音速面向 A 点行驶， A 点的听者才能听到接近中音 5 或 6 的两个音，小汽车根本不能完整地“演奏”这首曲子。其二，在这个系统中发声物体的节奏和听者听到的节奏不同步，因为小车偏离原点以后，小号与听者之间的距离会发生变化，而声音的传播会因为距离的变化而提前或延后到达听者。如果汽车的运动保持严格的节奏，那么 A 点听到的“音乐”节奏会丧失严格性；反之，如果想要保证“音乐”具有严格的节奏，那么汽车的运动节奏会丧失严格性。表 2. 音乐中固定的相对音高可以通过多普勒效应解释为不变的运动模式 ( Wang, 2015 ) 图 5. 《沧海一声笑》的简谱。图片来源：网络。上述两个缺陷，使得在现实生活中无法重现节奏运动对音乐的“演奏”，似乎对“音乐旋律体现节奏运动”这一假说构成巨大挑战。然而现实生活中不存在或不能重建的事物，并不见得在认知水平也不存在。人类大脑通过多普勒效应对音乐节奏的解析机制，或许并不必须受声音在空气中传播速度的限制。我认为，发自乐器或播放器的定点 RRPs ，恰恰突破了上述两个限制，让人类可以欣赏到更加广阔和纯粹的节奏运动。第三个问题：人类大脑是否存在将音乐旋律解析为节奏运动的神经和基因基础？这个问题最关键！如果说人类大脑具有将音乐旋律解析为节奏运动的机制，那么应该有相应的神经环路和基因基础为这一机制负责。遗憾的是目前还没有相关研究，所以这个问题悬而未决，对于这个问题的研究需要认知、神经、生物等学科的交叉。我先把问题摆在这里，希望能抛砖引玉，期待以后的研究能证明或证伪之。由此可见，前两个问题不必太过担忧，第三个问题有待继续研究。虽然目前在生物学水平上没有直接的证据，不过该假说对“旋律不变性”的解释、对音乐和舞蹈的统一，可以作为间接证据；当然，这些间接证据的证明力度是有限的。 “旋律不变性”体现“运动模式不变性” 上一节《音乐之始，大道至简》里，我有提到关于音乐认知的“旋律不变性”问题。所谓的“旋律不变性”，是指一个既定的旋律，不管它以哪个绝对音高开始演奏，只要其随后一系列音之间的相对音高保持不变，我们就认为它是同一个旋律 ( McDermott and Oxenham, 2008 ; Cariani and Micheyl, 2012 ; Trainor and Unrau, 2012 ) 。言下之意，旋律中的“节奏性相对音高（ RRPs ）”才是音乐的万变不离之“宗”。本节引入声音的多普勒效应，认为人类大脑将 RRPs 解析为一个虚拟发声物体的节奏运动。回到图 4 那个虚拟系统，以汽车的节奏运动“演奏”《沧海一声笑》，如果小号以中音 1 、 2 、 3 、 5 、 6 中的任何一个为初音，汽车的运动模式，包括速度、方向和路径都必须保持一致；当小号以固定的初音，比如中音 6 “演奏”，在汽车运动模式不变的情况下，通过调整火车的运动模式就可能“演奏”出比原来低八度、高八度、甚至变调的《沧海一声笑》。我们可以发现，不管哪种情况，汽车的运动模式都是相对恒定的。可见，音乐中的任何既定旋律，不管以低八度音、高八度音，或者变调演奏，在大脑里都有且只有一个既定的运动模式与之对应。所以，该假说可以解释音乐认知领域的“旋律不变性”问题。音乐和舞蹈统一于节奏运动音乐和舞蹈像一对双胞胎，常常如影随形。即便只是单纯的聆听音乐，人类 ( Repp, 2005 ) 以及某些动物 ( Patel et al.,2009 ; Schachner et al., 2009 ; Cook et al.,2013 ) 也会随着音乐节奏点头、晃腿、叩动手指等。此外，音乐认知也和身体运动紧密联系 ( Phillips-Silver and Trainor, 2005 ; Zatorre et al., 2007 ; Trainor et al., 2009 ; Maes et al., 2014 ) 。旋律和舞蹈分别是排列在一条时间线上的音高和动作。既然大脑将旋律解析为节奏运动，那么音乐和舞蹈可以统一成一个共同模式：节奏运动（图 6 ）。不过舞蹈的节奏运动是具体的，而音乐的节奏运动是抽象的，这两类节奏运动具有不同的感知途径，却在更高的认知层面达成统一，可谓殊途同归。据此，音乐和舞蹈在行为和认识水平的紧密联系可以得到解释。音乐和舞蹈的节奏运动被人类感知（ perception ）、制造（ production ）和同步化（ synchronization ），在我们大脑中诱导出快感和其它正面或负面情绪。那么接下来的问题是，为什么节奏运动能够诱导这些快感和情绪？图 6. 音乐和舞蹈统一于“节奏运动” ( Wang, 2015 ) 。旋律和舞蹈分别是排列在一条时间线上的音高和动作，通过多普勒效应，音乐和舞蹈可以得到统一。对这些节奏运动的感知、制造和同步化，在大脑中诱导出快感和其它正面或负面情绪。注： 1. 该博文中凡有确切来源图片均已注明出处，其它图片收集自网络，原作者可以联系我撤销图片或添加备注。 2. 成文仓促，难免失误，请大家多多指正；另，有交流或合作意向的老师和同学，欢迎随时联系。王天燕（ tianyanwang@hotmail.com ） 2015 年 05 月 08 日相关链接： A hypothesis on the biological origins and social evolution of music and dance (Wang, Front. Neurosci. 2015) 音乐起源之谜（一） —— 音乐、舞蹈和语言起源的 “ 节奏适应假说 ” ( 王天燕， 03/19/2015) 音乐起源之谜（二） —— 音乐的 “ 文化起源 ” VS“ 生物起源 ” ( 王天燕， 03/26/2015) 音乐起源之谜（三） —— 音乐才能的遗传基础 ( 王天燕， 04/02/2015) 音乐起源之谜（四） —— 音乐起源的性选择假说及其不足（王天燕， 04/12/2015 ）音乐起源之谜（五） —— 音乐之始，大道至简 ( 王天燕， 04/16/2015) 音乐起源之谜（六） —— 音乐和舞蹈统一于节奏运动 ( 王天燕， 05/08/2015) 音乐起源之谜（七） —— 节奏适应是食物和性的前提 ( 王天燕， 05/15/2015) 音乐起源之谜（八） —— 音乐在动物界的起源和进化 ( 王天燕， 05/22/2015) 音乐起源之谜（九） —— 人类音乐的起源和进化 ( 王天燕， 06/08/2015) 音乐起源之谜（十 / 完） —— 节奏适应假说的机遇和挑战 ( 王天燕， 06/18/2015）参考文献： Au, W.W.L., and Simmons,J.A. (2007). Echolocation in dolphins and bats. Physics Today 60 , 40-45.doi: 10.1063/1.2784683. Buckingham, G., Milne, J.L., Byrne, C.M., and Goodale, M.A. (2014). TheSize-Weight Illusion Induced Through Human Echolocation. Psychological science , 0956797614561267. Cariani, P., and Micheyl, C. (2012). Toward a theory of informationprocessing in auditory cortex, in TheHuman Auditory Cortex, eds. D. Poeppel, T. Overath, A.N. Popper R.R.Fay. (New York, NY: Springer), 351-390. 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