本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
最近的一次 Twitter 交流显示，一小部分人文专业出身的科学作家也对经典推理小说有着共同的品味。他们原以为会在各自的博客上共同发布一些精彩的文学分析（“巴士月蜜的开头书信体...”），但后来意识到读者无疑会对科学博客圈中书信体开头的过度使用感到厌烦。因此，他们决定转而撰写关于经典推理小说作家的科学。本系列其他文章的链接由 黛博拉·布鲁姆、安·芬克拜纳 以及 我在探索新闻 上关于简·兰顿的《黑暗楠塔基特岛午后》，以及 我之前一篇关于鸣沙的帖子，为了纪念约瑟芬·铁伊的推理小说《鸣沙》——可以在本文末尾找到。
绅士侦探彼得·温西勋爵在新年前夜因汽车故障被困在一个英国小村庄，这是多萝西·L·塞耶斯《九个裁缝》的开篇。由于正值节日，且其中一位敲钟人缺席，他发现自己加入了为教区创纪录的九小时换位敲钟。他给人留下了深刻印象，以至于几个月后，他又被拉回村庄，帮助解决一起发生在墓地的尸体之谜，这可能与大约 15 年前的一起昂贵的祖母绿项链抢劫案有关，也可能无关。
塞耶斯确实做了她的作者功课：整部小说都是围绕着钟和换位敲钟构建的，甚至包括章节标题和警句。因此，这是讨论钟和换位敲钟科学的完美框架，事实证明，这确实是一个丰富的矿藏。（警告：本文结尾将有剧透，但我保证在剧透之前会发出明确警告。）
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在即时通讯的时代之前，英国社区依靠敲钟来发出警报并标记村庄居民的逝世。塞耶斯的小说标题取自钟声为纪念逝者而敲响的次数：为男人敲九下（“敲响九个裁缝”），然后暂停，然后以半分钟的间隔缓慢敲响单次钟声——敲响的次数取决于逝者的年龄。为女人敲钟的模式类似，只是最初会敲响六下。（如果“九个裁缝造就一个男人”，那么我想六个裁缝就造就一个女人。）如果这听起来令人精疲力竭，请记住，即使在 19 世纪后期，预期寿命也低得多——尤其是对于女性而言。
伦敦圣玛丽勒博教堂的著名的“弓钟”是世界上最著名的钟之一，经常出现在伦敦的传说中。还记得迪克·惠廷顿的故事吗？据说在 1932 年，他听到弓钟召唤他回到伦敦，以实现他成为伦敦市长的命运。据说，真正的伦敦土著必须出生在弓钟的听力范围内，一首中世纪的童谣以“弓大钟说，我不知道”结尾。
关于弓钟的第一个已知历史参考文献是在 1469 年，当时市政委员会命令每晚 9 点敲响宵禁钟声。1515 年，一位教堂执事威廉·科普兰向教堂捐赠了第五口钟，尽管他没有活到看到它被敲响。（它在他的葬礼上首次敲响。）
到 1635 年，教堂里有六口钟，尽管塔楼和钟都在 1666 年伦敦大火中被摧毁。教堂重建，新建了一个可容纳 12 口钟的塔楼，尽管最初只有八口钟；直到 1881 年才完全达到 12 口钟。这些钟也不经常敲响：显然，塔楼、钟和钟架都存在问题，而且还缺少敲钟人。英国广播公司在二战期间使用弓钟的录音作为英语广播的间隔信号。在教堂和钟楼翻新后，1956 年在著名的怀特查佩尔铸钟厂铸造了 12 口钟，至今仍有 12 口钟。因此，圣玛丽勒博教堂的钟声至今仍在敲响。
铸造钟
钟是非常有趣的东西，甚至包括它们的制造方式——或者更确切地说，是铸造方式，因为这个过程涉及将熔融的钟金属倒入模具中。在《九个裁缝》中，男低音钟名为裁缝保罗，据说是 1614 年在教堂墓地旁边的田野里铸造的。一旦钟铸造完成，就可以通过削去钟声弓不同部分的金属来“调音”。
至于模具的制作，那也是一个同样费力的过程。有一个内模或型芯，以及一个外模（“外壳”），两者都由粘土、牛粪（！）和马毛的混合物制成。这种泥饼被堆砌成所需的形状，由金属底板（“刮刀”）支撑，一层又一层地精心制作。经过一定层数后，将模具在干燥的烤箱中烘烤至变硬，然后再添加更多层，然后再烘烤，依此类推。任何气穴或水分都是有害的，因为当熔融的铅倒入其中时，成品模具会破裂。
就在最后一层烘烤变硬之前，模具会涂上石墨，以防止熔融金属烧坏它，并且任何所需的铭文都会以反向方式印在模具中。这也是钟的另一个历史悠久的传统，钟经常有昵称和铭文，仿佛它们真的活着一样。
例如，在塞耶斯的小说中，最古老的钟被戏称为巴蒂·托马斯，铸造于 1380 年，并刻有铭文“阿巴特·托马斯将我放在这里 + 并命令我响亮而清晰地敲响”。（仍在使用的最古老的换位敲钟钟铸造于 1325 年；它是肯特郡坎特伯雷圣邓斯坦教堂的第五口钟。）
温西甚至在某一点提到了怀特查佩尔铸钟厂为其高音钟采用的最流行的铭文之一：“我打算让人明白，虽然我很小，但我很好。”
钟楼的传统结构包括一个带有百叶窗的钟室，以便声音可以逸出到室外，而不是在室内累积到难以忍受的水平（参见最后一部分中关于强制振荡共振的讨论，除非您想避免剧透）。
在钟室下方，通常至少有一个声音室，绳索穿过该声音室，然后落入敲钟室。每根绳索都有一个木制把手，称为吊索。（“温西可以看到八根钟绳，它们的木制吊索整齐地环绕在墙壁上，上端神秘地消失在房间屋顶的阴影中。”）
对于全圆敲钟，钟的悬挂方式使其可以 360 度旋转，并配有轮子和绳索。传统上，球最初处于“口朝下”的位置，必须“摇起”才能开始敲钟。（“温西熟练地将他的钟摇起，并在最后调整栓塞时将其置于反冲程位置。”）然后，敲钟人必须反复拉动绳索，使钟摆荡得越来越高，直到每次拉动绳索时它都旋转完整的 360 度。钟在完成旋转时将绳索缠绕到其轮子上，这样吊索就会被提升到天花板（“手冲程”）。然后，当敲钟人将绳索的尾端拉向地面时（“反冲程”），它会向相反方向摆动。
根据我的科学作家同事凯伦·福克斯的说法，这些钟也不容易敲响，她曾是华盛顿特区国家大教堂的现代敲钟人。在几年前的一次电子邮件交流中——我们都在滔滔不绝地谈论我们对塞耶斯小说的共同热爱——她说，“你必须以完美的力度拉动它，这样它才能倒立平衡。只有通过平衡它，让自己在它摆回原位之前有一点时间，你才能控制它。一个人必须学会感受钟的重量，并在它接近弧顶时完美地减慢它的速度。”
换位敲钟
凯伦还说，她被换位敲钟模式中的数字所吸引。换位敲钟在英格兰——至少以我们今天所知的形式——在 17 世纪发展起来；第一本关于换位敲钟的教科书出现在 1671 年，名为 Tittinnalogia，或敲钟的艺术。可以敲响简单的“轮次”，但由于这变得单调乏味，随着时间的推移，模式的变体出现了，这些变体被称为特定的钟声——许多都有色彩缤纷的名字。
温西小说中虚构的九小时新年钟声是 15,840 次“肯特高音鲍勃大调”。塞耶斯的小说中提到的其他钟声包括格兰德斯里三重奏、斯特德曼斯和格兰德斯里大调。然而，人们不会将换位敲钟的声音与传统意义上的“音乐”混淆。（您可以在此处收听一些录音。）
“换位敲钟的艺术是英国特有的，并且像大多数英国特色一样，世界其他地方都无法理解。例如，在有音乐天赋的比利时人看来，对一套精心调音的钟声进行适当的处理是在上面演奏曲调。在英国钟乐师看来，演奏曲调是一种幼稚的游戏，只适合外国人；钟的正确用途是进行数学排列和组合。”
这部分是钟的局限性：它们有很大的动量，它们非常巨大，并且它们需要大约两秒钟才能完全旋转，因此用它们演奏旋律太具有挑战性了。但英国人就是这样，他们将缺点变成了自己独特的艺术形式。也许钟不容易演奏曲调，但它们可以按顺序以各种变化的顺序敲响。每个钟在序列中只能移动一次。
凯伦说：“模式仅限于在任何给定时间与您的邻居交换位置，部分原因是动量问题。您可以让钟停止足够长的时间来与您前面或后面的人交换位置，但不能再长了。这就是为什么您永远不会听到带有换位敲钟的旋律。”（您可以在此处找到换位敲钟的 Applet。）
例如，如果您按顺序敲响钟——从最轻、音调最高的钟到最重的钟——这被称为“轮次”，用一排数字表示。
根据凯伦的说法，“简单的朴素狩猎”将是 1-2-3-4-5-6，然后是下一行（2-1-4-3-6-5），再下一行，再下一行（2-4-1-6-3-5、4-2-6-1-5-3、4-6-2-5-1-3 等），“因为没有钟可能敲响到比它们在上一轮中敲响的位置远一个位置的地方。”
（右图为朴素鲍勃小调钟声轮次的符号。）
塞耶斯在《九个裁缝》中对钟乐学的独特美学进行了很好的总结
对于普通人来说，钟声齐鸣是一种单调的喧闹和滋扰，只有在遥远的距离和伤感的联想缓解时才能容忍。换位敲钟人确实区分了一种产生其排列的方法与另一种方法之间的音乐差异；例如，他断言，当后钟运行 7、5、6 或 5、6、7 或 5、7、6 时，音乐总是更优美，并且可以检测并赞赏提图姆斯连续的五度音程和女王换位的级联三度音程。但他真正想说的是，通过英国人用绳索和轮子敲钟的方法，每个钟都能发出最饱满、最高贵的声音。他的激情——这确实是一种激情——在数学的完整性和机械的完美性中找到了满足感，当他的钟有节奏地从领先位置升到落后位置再降下来时，他充满了完美执行复杂仪式带来的庄严陶醉。
杀人钟？
警告！前方有重大剧透！如果您介意，请不要继续阅读！
事实上，塞耶斯巧妙地利用换位敲钟及其符号作为情节装置：在钟室里与尸体一起发现了一封信，但信中的文字似乎完全没有意义。然后，温西在牧师的帮助下意识到，它是用密码写的——而密码的钥匙是用换位敲钟符号写出的特定钟声。破译后的信件揭示了被盗祖母绿的藏匿地点。
钟可能是致命的，最常见的原因是敲钟人被绳索缠住并意外地吊死自己，或者钟意外地摆动下来并压扁某人的脑袋。即使在今天，这种情况仍然偶尔发生。2008 年 5 月，《独立报》报道称，一名敲钟人在教堂塔楼事故中被绳索缠住后摔断了锁骨。
显然，绳索卡在了他裤子上的一串钥匙中，这个人被吊到钟楼地板上方三英尺高，昏了过去，然后摔回地板上。消防员不得不架设滑轮系统，通过地板上的活板门将受伤的敲钟人放下，因为唯一的另一个入口是狭窄的木制螺旋楼梯。
这两个命运都出现在塞耶斯虚构的钟巴蒂·托马斯的神话中，教堂执事戈弗雷先生认为巴蒂·托马斯是“一口不吉利的钟”。巴蒂·托马斯被指责为一个闯入钟楼的克伦威尔士兵的死亡负责——因为钟被留下了口朝上的位置——当他的同伙开始拉动绳索时，巴蒂·托马斯摆动下来并当场杀死了他。
几个世纪后，一位初学者敲钟人试图在没有帮助的情况下独自升起巴蒂·托马斯，并在绳索中吊死了自己。但是塞耶斯提出了一个特别巧妙的理论来解释她的谋杀案受害者是如何死亡的。温西的突破发生在书的末尾，当时他冒险进入钟楼，当时正值该地区发生重大洪水，钟声正在敲响。塞耶斯写道
“他被喧闹声刺穿和冲击。在黄铜的撞击声和咔哒声中，传来一个高音，尖锐而持久，就像大脑中的一把剑。他全身的血液似乎都涌向了他的头部，使它膨胀到爆裂点……这不是噪音——这是野蛮的痛苦，一种研磨、敲打、疯狂、难以忍受的折磨……他的耳膜正在破裂；他的感官游离而去。这比重型火炮的轰鸣声还要糟糕得多。”
温西设法蹒跚地走到安全地带，但他的鼻子和耳朵里都流出了血。他得出结论，钟杀死了受害者；在九小时的钟声齐鸣期间，他被绑起来并被遗忘了，噪音对他身体的承受能力来说太过分了：“我相信圣保罗大教堂有这样的说法，在钟声齐鸣时进入钟室会丧命。”
事实上，在审讯中，法医作证说，受害者的大脑显示出“血液渗入
皮层”的迹象。（左图是已故演员伊恩·卡迈克尔在 20 世纪 70 年代电视剧《九个裁缝》中饰演彼得·温西勋爵的剧照。）
这可能是对塞耶斯出色推理小说最受批评的方面。这是一种巧妙的死因，但它是否合理？好吧，钟无疑具有自然共振。许多因素促成了钟发出的声音——例如，它的直径、重量、轮廓和厚度——这就是为什么有这么多不同的钟轮廓的原因。
由于这种复杂的形状，当我们敲击钟时听到的声音是音符的组合，这些音符来自钟的不同部分以不同的频率振动（“分音”）。分音最终结合起来，使钟具有独特的音调。事实上，塞耶斯小说中虚构的珠宝窃贼诺比·克兰顿在钟楼里偶然发现了尸体，并在匆忙离开时掉落了他的手电筒，手电筒击中了悬挂在下方的其中一口钟。“我永远不会忘记它发出的声音，”他告诉警长。“声音不大，但有点可怕的甜美和威胁性，它嗡嗡作响，似乎从中冒出了一大堆其他音符，高昂、清晰而又近在咫尺。”
每个物体都有一个自然的共振频率，它会以该频率振动——就像水晶酒杯一样。泵入更多相同共振的能量并使其积累，水晶酒杯会强烈振动，以至于它会破碎——这种现象称为强制振荡共振。为了使这种现象起作用，声音必须足够大（至少 90 分贝）并且持续足够长的时间（至少几秒钟），以便积累足够的振动能量以导致水晶酒杯破碎。
当然，所讨论的声音必须与玻璃的自然共振频率完美共振。如果不是这样，无论所讨论的音符持续多久和多响亮，玻璃都不会破碎。此外，酒杯具有独特的“钟”形，使其特别能够传播共振振动——因此更容易破碎。也就是说，那些著名的 Memorex 商业广告显示艾拉·菲茨杰拉德用她的声音震碎了水晶玻璃，这有点作弊：他们专门使用了铅含量高的玻璃（振动效果更好），并将她的声音放大到大约 94 分贝，与手提钻相当。
我还没有找到任何具体的研究来支持或驳斥塞耶斯巧妙的谋杀武器。我能找到的最好的答案来自塞西尔·亚当斯的“直言不讳”，以回应“声音是否会杀人”这个问题。我验证了要点，即：耳朵中的疼痛阈值在 130 到 140 分贝之间——与近距离的喷气发动机大致相同。
耳膜将在 160 分贝左右破裂，或“非周期性爆炸压力”为 185 分贝。后者是爆炸或大型武器发射——或雷声或音爆——引起的周围大气压急剧瞬时上升的那种情况。毕竟，声音是一种压力波。
显然，声音可以杀人。有时。例如，在第一次世界大战中，人们发现士兵死于爆炸地点附近，但他们没有任何明显的外部伤痕——只是严重的内伤，尤其是耳朵、肺部和胃肠道。关于死因的普遍理论是肺部的空气栓塞。爆炸的巨大压力压迫胸部并使脆弱的肺组织破裂，因此气泡可以进入动脉，从而进入心脏、大脑和其他器官。结果显然是死亡。
军方对开发声波武器非常感兴趣，原因就在于此。亚当斯引用了德国物理学家尤尔根·阿尔特曼关于高强度声音生理效应的论文，他得出的结论是“肺破裂后窒息或栓塞的阈值是大气压的 2.6 到 11 倍，具体取决于脉冲持续时间。”
塞耶斯小说中的钟能否产生这些极端压力？温西承认他不可能确切知道死因可能是什么——“中风、中风、休克”——但受害者在塔楼里被绑了整整九个小时的新年前夜钟声，那天晚上“雪堵住了百叶窗，并将其困在塔楼里”，使噪音更加糟糕。当然，如果受害者患有既往病症，他更容易遭受某种癫痫发作并死亡——尽管对此类事情的证据仍然存在激烈争议。
在没有任何更好的解释的情况下，我只想站在塞耶斯小说中虚构的警长一边：“我认为是振动周期的问题。”结案。目前。
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