2017年9月27日

從古籍中的材料知識探究琴中科學

戴桓青/國立臺灣大學化學系副教授、加州理工學院化學博士。研究專長為化學生物學、神經化學與阿茲海默症。平時喜愛古典音樂與發燒音響。

西方有小提琴流傳,而中國則是有古琴的問世,兩者在設計與製作上有許多相似之處,這次將討論中國古籍自宋代以來所提到的製琴木材知識,如何以現代的科學角度來詮釋。

古琴的選材

關於古琴木材的自然老化與加工老化,南宋皇室成員的趙希鵠所著的《洞天清祿集》中有幾項非常有趣的敘述:

一、大抵桐材既堅而又歷千餘年,木液已盡。

二、樑柱恐為重物壓損紋理。

三、惟木魚鼔腔晨夕近鐘鼓,為金聲所入,最為良材。然亦有敲損之患。

四、古人以桐梓久浸水中,又取以懸竈上,或吹曝以風日。百種用意,終不如自然者。

從第一項來看,木液要千年才能去除,由現代觀點來看,第一個可能性是木材越來越乾燥,吸附的水分減少;第二個可能性是木材細胞壁內的抽提物(extractives)與樹液(sap)內的有機小分子逐漸分解。在小提琴界,製琴與製弓的師傅也經常認為木材老化會越來越乾燥。木材細胞壁的主要纖維成分有3 種:纖維素、半纖維素與木質素,會從空氣中吸附水氣進而達到平衡,其中半纖維素的吸水能力最強。所以,充分乾燥的木材(風乾3~10年)的含水量是由空氣濕度決定。以我們所發表的研究為例,以固態核磁共振光譜來定量義大利名琴木材內的纖維成分(圖一),發現半纖維素隨著時間緩慢水解的半衰期大約400 多年,而提琴經過300 年後,半纖維素大約已經分解了1/3,所吸附的水分則減少了1/4,這相當符合《洞天清祿集》所說的千年之後木液已盡。


宋代的《太古遺音》也認為「琴不必桐梓,惟木液既竭,濁性去盡,皆可選用」。從實驗中發現,藉助熱重分析儀中精準度達到0.1微克的天平,只要將幾毫克的木材加熱至150℃,其重量的減少程度就等於逸失的水分,用極少的歷史木材樣品就能測出其吸濕程度。木材所吸附的水分,會造成振動時的內部摩擦力,因此含水量較少的木材,振動比較自由,發聲比較容易。許多小提琴家認為臺灣的氣候比歐美潮濕,不利於小提琴的發聲,當年留學時購買的提琴回到臺灣往往音色變差,這或許也是木材吸收較多水分的結果。

第二項敘述,如果木材的自然老化,需要1、200年甚至上千年,那為何不拿既有的老木材來製琴?在古書中,用各種老木材來製古琴是被大力推崇的,包含挖掘出來的棺木、老建築的樑柱門板、自然界的枯木等都有人嘗試拿來製作古琴。而《洞天清祿集》提醒,樑柱的木材在重壓太久以後,紋理可能損壞。這樣的損壞是用肉眼觀察所察覺,還是藉由振動的聲音效果來偵測,已經不得而知。在小提琴界,也有人嘗試使用老建築的雲杉或是舊傢俱的楓木來製琴,但是提琴權威海爾(Hill)家族指出,音響效果往往不理想。我們也從歐洲取得3塊老建築拆下來的雲杉,是現代製琴師預備拿來製琴的老木材,但是經過同步輻射中心X光繞射的測量,發現其中2塊的繞射條紋明顯比正常的雲杉減弱許多。木材中只有纖維素的結晶區域可以產生繞射條紋,而這2塊雲杉雖然外觀木紋看起來正常,但是纖維素的分子結構因為外部長期施壓的影響,已經從結晶性轉為非結晶性,結構強度大幅下降,已經不適合製琴,振動效果也不會理想。因此,《洞天清祿集》所說的木材紋理受損,可能不只是肉眼就看得出來的現象,也可能是分子層次的損壞。所幸的是,在檢視過十餘個義大利名琴的雲杉與楓木樣品的X光繞射條紋後,我們發現纖維素的結晶性都還完好如初(圖二),沒有因為長期振動而受損。......【更多內容請閱讀科學月刊第574期】

圖二:名琴楓木的X光繞射條紋。(作者提供)


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