2017年8月25日

音色的祕密 小提琴與古琴的材料科學

作者/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。

圖一:1709年史特拉底瓦里小提琴,別名Marie Hall-Viotti。(奇美博物館)

古董樂器,不但是人類的重要文化資產之一,也是許多當今音樂家賴以謀生的工具。在歐洲與中國這兩個文明裡,最珍貴的古董樂器分別是小提琴與古琴,都是木製的弦樂器,這似乎意味著材料的老化與弦樂器的微妙音色有著密切關係,而藉助現代的化學分析,我們越來越能窺探其中的秘密。在探討老化的奧秘之前,我們將先介紹小提琴與古琴的製作材料。

在歐洲,最具傳奇性的古董樂器是義大利的小提琴。一般認為小提琴是由克里蒙納(Cremona)的阿瑪悌(Andrea Amati)在500年前發明。克里蒙納曾孕育出阿瑪悌、史特拉底瓦里(Antonio Stradivari, 1644~1737)與瓜奈里(Giuseppe Guarneri, "del Gesù", 1698~1744)三大製琴家族,活躍於1550~1750年間。200年來的小提琴大師幾乎都只偏好演奏史特拉底瓦里(圖一)與瓜奈里的作品。為何無數的後代製琴師都無法達到這兩位大師的音色水準?是歐洲音樂史的一大謎題。

圖二:中國古琴,又名七弦琴。(戴桓青攝影)

在中國,文人最珍視的樂器是古琴(圖二)。這項七弦樂器,在四藝(琴棋書畫)之中排行首位(古箏與古琴外型相似但尺寸較大,並有21根弦)。古琴的發明應該屬於周代,已出現於詩經中,早於孔子的年代。晉代傅玄的《琴賦》曾提及中國第一把名琴是齊桓公(卒於643 B.C.)所收藏的「號鐘」。而現存最古老的七弦琴是唐代的作品,傳世的唐琴仍有十餘張。中國最著名的製琴家族是唐代居住在四川的雷氏家族,現存最著名的唐琴如春雷、九霄環佩與大聖遺音都被認為是雷氏的作品。此外,中國最古老的樂譜,是唐代的《碣石調·幽蘭》,是一首以文字記譜的古琴曲目。今日的琴人仍然能以八世紀的唐琴「太古遺音」來演奏8世紀的唐曲《碣石調·幽蘭》,製作21世紀的數位錄音,所以古琴可謂中國音樂史上的活化石。

史特拉底瓦里名琴的特殊材料
在2010年8月份的《科學月刊》中,我們曾經撰寫一篇文章介紹史特拉底瓦里名琴的研究,探討塗漆的配方與結構,以及塗漆對聲音的影響。從19~20世紀,許多專家都認為史特拉底瓦里的秘密在於塗漆秘方。近年來隨著名琴塗漆研究的成果累積,其成分已經大致被闡明,歐美製琴界對於塗漆也產生了新的看法,普遍不再認為史特拉底瓦里的塗漆足以成為特殊音色的關鍵。同時,一種新的假說也孕育而生,認為名琴的秘密在於木材的化學處理。此時正好我們實驗室取得了一系列的名琴木材樣品,來自於破損修復時所刮除的木屑,以及奇美博物館所提供的史特拉底瓦里琴頸(圖三)。

圖三:研究史特拉底瓦里名琴所採樣的楓木樣品:左為1725年的小提琴頸(奇美博物館提供),右為1731大提琴背板(Brigitte Brandmair提供)。(戴桓青拍攝)

經過多種化學分析,包含固態核磁共振、熱分析、元素分析與同步輻射X光繞射,我們發現史特拉底瓦里的木材先經過了化學處理才被用來製琴,而且300年的老化造成了半纖維素的水解,而小提琴的長期高頻振動則造成纖維分子的重新排列(圖四)。這三個因素的加總,使得史特拉底瓦里名琴上的楓木與現代製琴用的楓木,在性質結構已經變得不同,或許可以解釋為何現代製琴師一直難以複製史特拉底瓦里的音色。我們的名琴木材研究在2016年底刊登於《美國國家科學院院刊》,隨即也獲得如紐約時報、華盛頓郵報、泰晤士報與日本讀賣新聞等百餘家國際媒體的報導。

圖四:史特拉底瓦里小提琴的木材性質變化示意圖。

在克里蒙納製琴的黃金年代(1550~1750年),義大利人並未留下任何有關提琴製作技術的歷史文獻。相較之下,因為古琴是中國文人鍾愛的樂器,因此從唐代以後就有相當多文人寫下關於製琴技術的文獻。在研究小提琴的過程中,不斷參照中國古籍中的古琴知識使我們獲益良多。另一方面,近代西方對於弦樂器的研究非常豐富,可以幫助我們了解古琴製作的技術原理。東西方兩種製琴文化所累積下來的遺產,其實有許多相通之處,而且透過現代的科學分析才更讓我們看清其中的關聯性,互相作為印證。

越陳越香的古典樂器
在小提琴與古琴的世界裡,名琴普遍被認為是越老越好。但事實上並不是所有的木製弦樂器,都越老越值錢。以吉他與古箏而言,普遍的認知是其音色會在數十年或是上百年後退化,因此古董樂器並沒有特別高的價值。但小提琴與古琴中的精品則是身價隨著年份水漲船高,史特拉底瓦里與瓜奈里的小提琴曾以1600萬美金拍賣售出,而唐宋古琴也有兩次拍賣超過1億人民幣的紀錄。

小提琴與古琴的設計,都採用圓弧形的面板,而且有防止撞擊後大幅破裂的設計:大部分的小提琴有鑲線,而部分古琴則以麻布包覆。相較之下,吉他的平面音板設計容易隨著溫溼度的變化而變形。古箏的梧桐面板則無法長期承受沉重的壓力,又無塗漆保護,音色往往在20年內衰退,所以古人有「易見千年琴、難聞百年箏」的說法。

中國大漆與歐洲油性漆
古琴的塗漆,是中國漆樹(Toxicodendron vernicifluum)所分泌的大漆,它具有防腐蝕、抗酸鹼、防潮防水、耐磨擦以及耐高溫等優點,是保護力最強的天然塗料,遠勝過小提琴的油性漆。古琴的塗漆可能厚達數釐米,首先要將底漆塗在原木上,這也被稱為上灰的動作,因為底漆中會摻入鹿角霜、礦物或陶瓷碎粉來增加硬度與體積。底漆之上的表漆若需要黑色可加入氫氧化鐵,紅色可加入自朱砂(硫化汞),褐色則為其原色。大漆的乾燥原理是漆酶(laccase)這種酵素所催化的氧化聚合反應,需在高濕度與溫暖的環境下進行,聚合後的化學穩定性與堅韌程度可保護古琴千年不壞。歐洲傳統的油性漆則是乾性油(drying oil)加上樹脂(例如亞麻仁油加松香),再加入顏料成分即成為小提琴的紅色塗漆。其乾燥原理是自由基聚合反應,可以紫外光或金屬(鉛、鐵,錳)催化。小提琴的塗漆可能只有數十微米的厚度,以維持高透明度來呈現木紋之美為原則。史特拉底瓦里的塗漆在楓木上特別可以增強木紋反射的感覺(圖五),後代製琴師花了200年都無法達成類似的效果,也是一個未解之謎。......【更多內容請閱讀科學月刊第573期】

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