Атомні спектри перетворили на звуки: тепер атоми можна не тільки послухати, а й зіграти

Для більшої милозвучності дослідниця оптимізувала тривалість усіх частотних компонент, а також зіставила їх з нотами рівномірного ладу, що дає змогу зіграти "атомні звуки" на музичних інструментах. Про результати своєї роботи Лінц повідомила на зборах Американського акустичного товариства.

Читайте на сайті Астрономи знайшли гігантську нейтронну зорю, що жила лише кілька мілісекунд

Процес перетворення будь-яких даних на звук називають соніфікацією. Попри те, що вона переслідує здебільшого творчі та популяризаційні цілі, вчені займаються цим досить часто.

Для чого це потрібно

Конвертація світлових хвиль у звукові найбільш природна, оскільки зір і слух – це два канали, через які людина сприймає найбільшу кількість інформації. Наприклад, у такий спосіб можна спробувати перетворити на звук спектри всіх атомів періодичної таблиці елементів, щоб полегшити вивчення атомної фізики студентам із порушеннями зору. Це доволі непросте завдання, оскільки атомні спектральні лінії мають різну інтенсивність, ширину, а також організовані на частотній шкалі не так, як звуки музичних інструментів, через що необроблені атомні "голоси" будуть неприємні на слух і неінформативні. При цьому важливо зберегти унікальність кожного звуку, оскільки атомні спектри також унікальні, що лежить в основі методів аналітичної хімії.

На вирішення цих проблем були спрямовані зусилля викладачки фізики з Коледжу Скідмор у Нью-Йорку Джилл Лінц. У 2016 році вона запустила проєкт під назвою Atom music (Атомна музика), і до кінця 2022 року їй вдалося відтворити звуки майже всіх хімічних елементів, про що вона докладно розповіла на конференції Американського акустичного товариства.

Звучання атомів: дивіться відео

В основі її обчислень лежало три техніки обробки звукового сигналу.

• По-перше, вона проводила лінійне зіставлення спектральних ліній видимого діапазону (400-700 нанометрів) звукам із частотами від 0 до 1000 герців на основі частотних інтервалів між окремими компонентами. Амплітуда кожної компоненти відповідала інтенсивності лінії.
• По-друге, дослідниця зважала на те, що для комфортного сприйняття звуку той повинен мати тривалість, вищу за певний (60 мілісекунд) поріг, але водночас експоненціально затухати з часом. На цьому етапі вона також визначилася з формою зростання амплітуди звуку, зупинивши свій вибір на такій, що виникає під час струнно-щипкового видобування.
• Нарешті, Лінц ввела рівномірну темперацію частотного діапазону, що дало змогу приблизно зіставити кожному елементу свій набір традиційних для музики нот.

У результаті фізик склала бібліотеку звуків, унікальних для кожного елемента і пов'язаних з його видимими спектрами, за винятком тих, у яких їх немає (послухати всю таблицю Менделєєва можна тут). Варто зазначити, що це символічна соніфікація, оскільки атом одномоментно випромінює лише одну спектральну лінію, в той час, як у звуці звучать усі частоти одночасно. Іншими словами, звуки відповідають скоріше нагрітому атомному газу, ніж елементам окремо. Крім того, в роботі не враховувалися фазові співвідношення між окремими гармоніками.

Цікаво Вчені синтезували нову форму вуглецю, намагаючись створити матеріал шварцит

Проте робота Лінц привернула увагу багатьох з її колег. Виявилося, що в отриманому наборі звуків спостерігаються деякі закономірності. Наприклад, елементи з малою масою, такі як вуглець, кисень і водень, схильні мати дисонуючі тони, оскільки їхні лінії рознесені по всьому спектру. Важкі метали, навпаки, звучать більш приємно, оскільки їхні лінії згруповані і формують майже чисту синусоїду. Можливість же зіграти атомні звуки на інструментах зацікавила музикантів, які вже використали її результати в кількох музичних проектах.