画谈竹子的“博物性”

2020-12-08刘夕庆

知识就是力量 2020年10期

刘夕庆

竹子属禾本科竹亚科多年生常绿植物，在自然科学和人文学科中都具有一定的研究价值和影响力。其独特的结构形态及材料属性，让它在人们的心目中产生一种“别具一格”而又“多才多艺”的感觉，再加上天然的构造和性质，让它也和人类的许多科学文化现象联系了起来。

植物界的钢铁

竹，又名竹子。其品种繁多、生长速度快，且分布广泛，在亚洲、非洲、美洲都有自然分布。它们的形态、生长机制、繁殖策略等生态适应特征都是与环境长期适应而进化的结果。作为地球上重要的森林植被资源和优良的速生丰产物种，竹子具有良好的经济、生态和社会效益，对促进区域经济、社会文化发展和生态环境保护有着重要的影响。

虽然竹子是一种应用价值很高的禾本科植物，且具有许多让人印象深刻的植物特点（例如雨后春笋的生长速度令人吃惊等），但竹子也兼有不少其他植物所没有的物理学，特别是它主干部分多种独特的物理特性让人们演绎出了许多文明故事，也导致了竹子在生产、生活与科学文化等多方面的实际运用。

就拿我们最为熟悉的竹竿来说，它是一种属于变形体的弹性体，其特征为：在外力作用下物体变形，当外力不超过某一限度时，除去外力后物体即恢复原状。但是，绝对弹性体是不存在的，物体在外力除去后的残余变形很小时，我们一般就把它当作弹性体处理了。竹子就有这样一种性质，直到现在，许多地方还保留着将竹子作为弹性体，利用扁担（一般选用毛竹制作）的弹性负重并将其担在肩上忽上忽下运送东西的习惯（参见小学语文课本中家喻户晓的名篇《朱德的扁担》）。

从物理结构的视角观察，竹节的天然构造使之形成了竹节间中空、竹节处实心的特殊结构，为了研究竹节对竹子力学性质的影响，科学家们对竹子进行了拉伸、扭转、弯曲实验，并分析了三项实验所得的应变值数据，研究竹子在拉伸、扭转、弯曲三方面的力学特性，得出了竹节对竹子力学特性的关键影响：在轴向拉伸过程中，竹节处的应变和非竹节处的应变与非竹节处的面积和竹节处的面积之比相同;竹节起到减小拉伸应力的作用，竹节处抗拉能力增强;在扭转过程中，竹节处纤维膨胀，沿轴向和垂直轴向均产生应力，竹节处抗扭能力减弱;在弯曲过程中，竹节处的抗弯界面系数较大，竹节处抗弯能力增强。在欣赏上页图及左侧两幅画作时，你便会发现在观察和写意竹子上就强调和反映了这些生物学中的物化特质与特性，它们在重力和风力等作用下所呈现出的弹性体形象一目了然。

竹画中的科学密码

中国是竹子的原产地之一，竹子自古以来就是中国的文物标志。“竹”作为一种文人精神的象征，在文人画中占有重要地位。中国元代是以文入画得以勃兴的时代，“竹”成了元代绘画中的一种普遍母题，几乎所有元代的重要画家都能画竹，并对多品种竹子进行描绘，且都有重要的竹图传世。竹之所以受到文人的青睐，是由于竹子具有高风亮节的气息，同时还具有物理力学上可称颂的高强韧性——人文学科与自然科学在竹子的这种精神蕴含中产生了交集，其影响直到现代。

中国清代文人、画家郑板桥所创作的竹画就蕴藏有一定的科学密码：自然之竹是客观存在的，画家看到眼里的竹实际上已和自然之竹有所区别了，通过加工、主观处理，就会形成胸中之竹，这就是所说的意在笔先。

等落到纸上，转化为手中之竹，“手中之竹”就成为画家所创的一个“第二自然”，胸中之竹和手中之竹都是眼中之竹的升华，概括地说就是画家把眼睛看到的客观形象，经过大脑的意象处理，最终经过技术加工、物化为典型的艺术形象。

实际上，郑板桥的艺术理念给出了一个重要的数学概念：映射。他营造了三个空间：客观空间、主观空间和模型空间，并指出这三个空间的对象（竹）之不同，通过这些对象在三个空间中的关系（函数），建立起这些对象的联系（映射）。在我们今天看来，他给出了一个完整的建模过程：有定则（基本原理，主要矛盾，对象特征），有化机（形式变换，作者兴趣，可能想象），而这个过程与我们现在的科学研究思想高度重合：眼中之竹——客观实体;心中之竹——抽象概念;手中之竹——应用模型。这一创作程式简直就是人文学科与自然科学在治学上贯通一气的美谈。

郑板桥一生写竹、画竹，更酷爱咏竹。他笔下的竹诗意境隽永，蕴含很强的哲理性。在提笔作文时，我们常常会想到他的“删繁就简三秋树”——这种简化至抽象的过程实际上蕴含了现代科学中“还原论”方法的特点：它将高层次还原为低层次、将整体还原为各组分加以研究。当科研注入了简化元素后就可能体现出其精简的抽象威力，尤其在物理学等基础学科中最为突出。

悠悠千载，人竹共生

竹子是集经济、生态和社会效益于一体的优良物种，具有强烈的生理整合能力和特殊的种群生长更新特点。尤其是在东方，它天然的植物特性造就了它特殊而广泛的实用性。如产于斯里兰卡和印度的印度麻竹是世界上最高的竹子，其高度经常超过30米，简直就是“竹中之王”，另外，这种竹子的直径可达16-23厘米，锯下一节就能制成一个小水桶。此外，利用竹子的特性和材质制作的文化产品更是比比皆是，比如竹简书、竹扇、竹画等，我们可以从下面这几幅绘画中一窥究竟。由此可见，竹子在书籍阅读、乐器声学和艺术绘画等方面都大有用途。

世界竹子生产地的先民们在竹子培植、应用以及欣赏过程中逐渐形成了一种文化现象，我们现在简称之为“竹文化”。就拿“中国竹文化”来说，它是指竹子为先民提供了丰富的衣、食、住、行、用等生活用品和各种生产资源——人居竹，竹环居，人竹共生;情寓竹，竹赋情，情竹相融。人类在与绿竹的情感互动中孕育升华，极大地推进了中华民族哲学、文学、美学和博物科学的产生与发展，铸就了中华民族的浩然正气，形成了丰富多彩的竹文化。