煙花在我國有著悠久的歷史，古人曾用“東風夜放花千樹，更吹落，星如雨”這樣生動的詩句去描繪煙花綻放時的絢爛。

如今，人們也會燃放煙花來慶祝大型活動或重要節日，每一次煙花的綻放，都是視覺與情感的雙重盛宴。

人們觀賞煙花 （圖片來源：Veer圖庫）

其實，這些絢爛的圖案和千變萬化的音效，都是提前設計并通過技術實現的！今天，就帶大家一同了解煙花設計背后的科學知識。

我國最早在唐代就有了煙花！

煙花的歷史可以追溯到公元9世紀的唐代，當時的煙花是用來驅除邪靈和祈求好運。到了宋代，煙花的使用逐漸轉向節慶和娛樂，制作煙花的技術開始得到發展，煙花的形式不僅限于簡單的爆竹，還開始出現形狀多樣、顏色豐富的焰火。在明清時期，煙花的制作技藝不斷提升，逐漸成為皇室和貴族的慶典活動中的重要一環，也廣泛應用于節日慶典，如春節、元宵節等。

隨著煙花技術的不斷發展，它逐漸傳播到世界各地，成為全球節日慶典中的一大亮點。煙花從中國的傳統慶典，走向了世界的舞臺，成為歷史文化與現代科技相融合的奇妙藝術。

波西米亞藝術家Wenceslaus Hollar的版畫作品《赫米塞姆的煙花》

現代煙花是怎樣綻放出各種形狀的？

現代煙花綻放時能精確制造出各種美麗的形狀，這些形狀是通過精密計算和設計煙花中的裝藥和星體排布方式來產生的。星體是由各種金屬鹽、氧化劑、火藥等組成的小顆粒，決定了煙花綻放時的形狀和色彩。每顆星體的制作都需要精準的化學配比，才能確保它在爆炸時達到預期的效果。所以，星體不僅是煙花絢麗表演的源泉，也是煙花藝術的精華所在。當煙花升空后，火藥爆炸產生的推力可以把星體推到事先設計的方向上，讓星體向各個方向發散，從而在空中展現出如各種各樣美麗的圖案。

例如，通過精確排列火藥包并設置延時引線，煙花可以在半空中爆炸并形成星形、花朵形等奇妙的圖案，仿佛在夜空中繪制了一幅美麗的畫卷。

煙花的三種布局方式 （圖片來源：維基百科）

有些煙花采用火藥作為驅動器，能夠在空中旋轉，如同飛舞的星辰，帶來動感十足的視覺體驗。煙花像流星般劃過夜空，并在瞬間點亮整個夜空。煙花的形狀設計和點燃時機就像是一位藝術家手中的畫筆，勾畫出一幅幅動人的夜空圖景。

煙花的內部排布 （圖片來源：維基百科）

各種絢爛的色彩又是怎么實現的？

煙花自古以來就因絢麗的色彩而被人們所喜愛，這些色彩并非是隨機產生的，而是來源于叫做焰色反應的物理現象

每當夜空中綻放出絢麗的色彩時，那是金屬原子在火焰中舞蹈的結果。具體來說，不同的金屬元素在火焰中加熱后，金屬原子中的電子會吸收熱量，像跳躍的小精靈一樣躍升到更高的能級。當溫度降低后，電子會從高能級躍遷到低能級并釋放出能量，這些能量以不同波長光的形式表現出來。不同波長的光在我們的眼睛中對應著不同的顏色，煙花的色彩正是通過這種反應產生的。

常見金屬的焰色反應 （圖片來源：科學小屋）

為了產生不同顏色的煙花，煙花設計師會向煙花中加入不同的金屬或金屬鹽，如添加鉀鹽產生紫色，添加鈉鹽產生黃色等。有些特殊的煙花還會控制火藥的燃放順序和金屬鹽的空間位置，從而呈現出隨時間變換不同顏色或者漸變顏色的煙花。

與此同時，煙花設計師還需要調節火藥的配方來控制溫度和燃燒速率。溫度越高，金屬元素的激發越強烈，顏色越鮮明；藥中的氧化劑和燃料成分，也會影響焰色的呈現。因此，煙花的色彩并非單純的物理現象，而是物理和化學精密調配的藝術結晶。

煙花爆炸后美麗多彩的顏色 （圖片來源：veer圖庫）

煙花爆炸時或高或低的音效也可以設計？

如今，煙花表演已經不僅僅局限于視覺效果，聲音也成為了煙花藝術的重要組成部分。在大型節慶活動和煙花表演中，聲音和視覺常常是同步的，創造出震撼的觀感和聽感體驗。

煙花的聲音主要是由火藥的爆炸所產生的。火藥在爆炸時會釋放出大量的氣體，這些氣體在爆炸瞬間猛烈膨脹，產生了向外傳播的壓力波。就像一顆巨大的水珠跌入湖面，激起的波動迅速擴散至四面八方，我們聽到的“轟隆”聲，正是空氣壓力瞬間劇烈變化的結果。

現代煙花可以通過調整火藥中金屬鹽和其他化學成分的比例，改變爆炸時產生的氣體膨脹速度和壓力，從而控制音高使用不同的金屬鹽（如鋁、鋇或鋯）就像是在音符中加入不同的調性，可以影響燃燒反應的速率和氣體膨脹的方式，調節爆炸聲的頻率，使之高亢激昂或低沉深遠。

煙花的外殼設計在聲音效果上也起著關鍵作用。現代煙花的外殼通常由紙殼、鋁箔或金屬箔等材料制成，不同的設計可以影響聲音的傳播和音質。比如硬殼（如鋼殼）可以引發較為強烈的爆炸聲音，像雷鳴般震耳欲聾，而軟殼（如紙殼）則會使爆炸聲音較為沉悶、較為低沉。

現代煙花不僅僅是簡單的爆炸和綻放，而是蘊含著深刻的科學原理和精密的設計藝術。每一場煙花表演，都是化學、物理和藝術的完美結合。通過了解這些背后的科學原理，我們不僅能夠更加欣賞煙花的美麗，也能感受到科學技術帶來的無限可能。在未來的煙花表演中，必將有更為絢爛和驚艷的視聽盛宴。

出品：科普中國

作者：李瑱（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所）

監制：中國科普博覽