Атомные спектры превратили в звуки

Американская преподавательница физики Джилл Линц создала библиотеку звуков, соответствующих спектрам видимого диапазона почти всех химических элементов периодической таблицы. Она поставила в соответствие каждой линии спектра звуковую частоту с амплитудой, пропорциональной ее интенсивности. Для большего благозвучия исследовательница оптимизировала длительность всех частотных компонент, а также сопоставила их нотам равномерного строя, что позволяет сыграть «атомные звуки» на музыкальных инструментах. О результатах своей работы Линц сообщила на собрании Американского акустического общества, кратко об этом пишет Physics. Технические подробности исследования опубликованы в материалах предыдущего собрания.

Процесс превращения любых данных в звук называют сонификацией. Несмотря на то, что она преследует по большей части творческие и популяризационные цели, ученые занимаются этим довольно часто. Мы уже рассказывали, как в музыку превращают фотографии исторических личностей, орбиты планет, столкновения в Большом адронном коллайдере и даже марсианский рассвет.

Конвертация световых волн в звуковые наиболее естественна, поскольку зрение и слух — это два канала, через которые человек воспринимает наибольшее количество информации. Например, таким путем можно попытаться превратить в звук спектры всех атомов таблицы Менделеева, чтобы облегчить изучение атомной физики студентам с нарушениями зрения. Это довольно непростая задача, поскольку атомные спектральные линии имеют различную интенсивность, ширину, а также организованы на частотной шкале не так, как звуки музыкальных инструментов, из-за чего необработанные атомные «голоса» будут неприятны на слух и неинформативны. При этом важно сохранить уникальность каждого звука, поскольку атомные спектры также уникальны, что лежит в основе методов аналитической химии.

На решение этих проблем были направлены усилия преподавательницы физики из Колледжа Скидмор в Нью-Йорке Джилл Линц (Jill Linz). В 2016 году она запустила проект под названием Atom music (Атомная музыка), и к концу 2022 ей удалось воспроизвести звуки почти всех химических элементов, о чем она подробно рассказала на конференции Американского акустического общества.

В основе ее вычислений лежало три техники обработки звукового сигнала. Во-первых, она проводила линейное сопоставление спектральных линий видимого диапазона (400-700 нанометров) звукам с частотами от 0 до 1000 герц на основе частотных интервалов между отдельными компонентами. Амплитуда каждой компоненты соответствовала интенсивности линии. Во-вторых, исследовательница учитывала, что для комфортного восприятия звука тот должен иметь длительность выше некоторого (60 миллисекунд) порога, но в то же время экспоненциально затухать со временем. На этом этапе она также определилась с формой возрастания амплитуды звука, остановив свой выбор на таковой, возникающий при струнно-щипковом извлечении. Наконец, Линц ввела равномерную темперацию частотного диапазона, что позволило приблизительно сопоставить каждому элементу свой набор традиционных для музыки нот.

В результате физик составила библиотеку звуков, уникальных для каждого элемента и связанных с его видимыми спектрами за исключением тех, у которых их нет (послушать все таблицу Менделеева можно здесь). Стоит отметить, что это символическая сонификация, поскольку атом единовременно излучает всего одну спектральную линию, в то время как в звуке звучат все частоты одновременно. Другими словами, звуки соответствуют скорее нагретому атомному газу, нежели элементам по отдельности. Кроме того, в работе не учитывались фазовые соотношения между отдельными гармониками.

Тем не менее, работа Линц привлекла внимание многих из ее коллег. Оказалось, что в получившемся наборе звуков наблюдаются некоторые закономерности. Например, элементы с малой массой, такие как углерод, кислород и водород, склонны иметь диссонирующие тона, так как их линии разнесены по всему спектру. Тяжелые металлы, наоборот, звучат более приятно, поскольку их линии сгруппированы и формируют почти чистую синусоиду. Возможность же сыграть атомные звуки на инструментах заинтересовала музыкантов, которые уже использовали ее результаты в нескольких музыкальных проектах.

Больше примеров сонификации вы можете послушать в серии наших материалов «Звуки науки».