写完十四章卡农后,莫比乌斯带属实是给巴赫玩明白了。乐谱是由两个维度组成的:音高和时间。例如,在一个单声部音乐文本中,音符的音高(对应着频率)是竖直表示的,而演奏时间则是从左到右的。在14-15世纪的诵经书——《垂怜经(Kyrie)》的其中一行中,演奏是从左到右的,而高度对应着音高。从那之后,记谱的细节发生了很多变化,但基本原理没有变。
图片授权于密苏里堪萨斯大学堪萨斯市图书馆,肯尼思·J·拉布德特别收藏部。
从拓扑学上来说,单声部乐谱是一个二维条纹图。水平坐标代表从开始到结束的时间,垂直坐标代表从低到高的音高。在上面的诵经书,开头的谱号在乐谱中的第二条线,对应着音阶上的“fa”。单声部乐谱呈长方形。当考虑乐谱的对称性时,拓扑结构会变得更有意思。假设不断重复乐谱,就像一些歌曲的前奏一样反复播放同样的一段音符序列,将其结尾和开头连接起来,在拓扑结构上来说,乐谱变成了一个柱面。
卡农是一种非常有意思的谱曲技巧,一个二部的卡农乐指的是第二声部延迟模仿第一声部的乐谱。最著名的例子莫过于法国的一首轮唱歌曲Frère Jacques,普通话版本的叫《两只老虎》。这首曲子有8个小节。从第三小节开始,第二个声部开始重复第一个声部的内容,两个声部融合在一起形成和声,一直持续到9到10小节。
等到第二个声音结束时,第一个声音重新开始,从第3小节到10小节的序列又形成了一个又一个顺滑重复的稳定过程。
巴洛克作曲家约翰·塞巴斯蒂安·巴赫(Johann Sebastian Bach,1685-1750年)非常擅长谱写卡农。在他留下的最好的一张肖像中可以看到他拿着一张卡农乐谱。
在1746年埃利亚斯·戈特洛布·豪斯曼(Elias Gottlob Haussmann)绘制的肖像中,巴赫拿着一张卡农曲谱,是《哥德堡变奏曲(the Goldberg Variations)》(BWV 1087)中十四章卡农里的卡农13。这组曲谱背后还有个故事。
一开始只发现了其中的两个乐谱,分别在写在画上和巴赫给朋友的亲笔签名的本上,直到1974年剩下的曲谱才被发现在巴赫的《哥德堡变奏曲》的曲谱的背面,现在收藏于巴黎国家图书馆。
卡农3和卡农5都涉及到一个声部和它的“倒影”,比如说原声部向高音移动时,其倒影会向低音移动,反之亦然。在卡农3中,主声部演奏《哥德堡变奏曲》的前八个音符,而从第三个小节开始的和声则是以主声部颠倒的演奏旋律进行的。拓扑学上,《两只老虎》跟卡农具有相同的结构:在曲谱的前奏之后,卡农就会进入稳定的圆柱(循环)状态。巴赫的所有卡农都是这样构造的。
卡农5被巴赫描述为“双工”(duplex, a 4)。
它是用四个声部同时演奏两个卡农旋律。其中两个声部演奏卡农3的旋律,与其叠加的另一个卡农除了滞后外还在声调上降了八度,但结构是一样:后声部在两小节之后开始逆向模仿前面的声部。来看下图中稳定状态下的前两个声部,将乐谱和其倒影(向下翻转)比较。乐谱的最后两节可以看做是前两节的向下翻转之后的结果(见橙色框),反之亦然。乐谱具有滑移反射对称性:把乐谱平移然后翻转,乐谱是一样的。
如果继续移动,再次翻转,乐谱就会回到最初的样子。
任何具有滑移反射对称性的周期性文字都能在莫比乌斯带(Möbius strip)上编码。用一张条形的纸条,翻转扭曲之后将两端黏在一起,就是莫比乌斯带。周期性可以使其在柱面上编码,滑移反射对称性意味着如果我们将柱面扭曲并两层重叠,则这两组音符将完全匹配。将音符记在莫比乌斯带上,我们认为能从任意一面读取。
巴赫也在开发人类对声音感知的另一个方面:除了音高,我们对调性(tonality)也很敏感。一般的,中央C与更高和更低的C对人们的感知来说听起来是一样的。因此(听起来),不同的调性并非线性连续的,而是形成了一个循环,这样就产生谢泼德音调(Shepard tone)的现象,感觉音乐的音高像是在不断地上升。钢琴上的这七个和弦显示了上升的调性序列如何产生音高上升序列的错觉。
事实上,最后一个和弦和第一个和弦是一样的。
如果按照调性而不是音高对卡农5主题中的音符进行分组,那么上面六次迭代的图像将变成一个长方形:将每相隔一个八度的音高确定为等效音高,可以缩短卡农5主题的完整周期。由于顶部线(A调)上方的调性与底部的调性在空间上“相邻”,而且两端在时间上相邻,因此调性-时间空间就可以用环面表示:左右边缘相连就得到了柱面。再将顶部和底部边缘重合就得到了一个环面(torus)。
值得注意的是,三维空间中光滑环面的几何图像具有正曲率和负曲率点,但对乐谱来说,这是没有意义的。卡农5的乐谱是通过重叠长方形对边得到的一个平坦的环面。这个图形很抽象,不能流畅地在三维空间中展现。在由调性和重复的基调定义的平坦环面上,卡农5的旋律线在一个方向缠绕了6次,在另一个方向缠绕了1次。