Новости

Nov 09, 2023

Физика

В начале своей работы преподавателем физики в Скидмор-колледже, Нью-Йорк, Джилл

В начале своей работы преподавателем физики в Скидмор-колледже в Нью-Йорке Джилл Линц хотела объединить свое образование в области классической музыки со своей профессиональной научной жизнью. Она нашла место для этого пересечения дисциплин в проекте, который отображал атомные данные в уникальные звуковые звуки. Теперь то, что началось как образовательный инструмент, привело ее к созданию полной «слуховой таблицы Менделеева». Изучая формы волн и тональные качества каждого элемента в таблице, она начинает исследовать, как такое «озвучивание» атомов может выявить неожиданные структурные связи между элементами. Работа была представлена ​​на 183-м собрании Акустического общества Америки.

Первоначальная мотивация Линца к озвучиванию атомов возникла в 1997 году, когда он преподавал курс по музыкальной акустике и методам цифрового синтеза. «Я хотел издавать крутые звуки!» она говорит. И она это сделала, создав сигналы, которые представляли собой спектральные линии углерода, водорода и других простых элементов. Эти спектральные линии соответствуют переходам между электронными энергетическими состояниями, которые приводят к излучению света на определенных частотах. Линц взял эти световые частоты и выразил их как слышимые частоты по шкале от 0 до 1000 Гц. Затем она ввела преобразованные частоты и относительные амплитуды (значение, соответствующее яркости этого цветового компонента) в цифровую аудиопрограмму, которая объединила их для формирования необработанного базового звука. Наконец, применив к этому звуку экспоненциальное затухание, она создала тон «щипковой струны», который звучит более приятно для слуха. Эти оригинальные атомные тона вдохновили на создание классических и современных музыкальных произведений, о научном анализе которых никто не думал.

Однако для Линца как педагога и физика точность была превыше всего. По мере того как проект «Атомная музыка» расширялся и становился популярным курсом среди студентов, изучающих естественные и неестественные науки, коллеги Линц по физике и химии убеждали ее опубликовать свои методы и заполнить всю таблицу Менделеева. «Первоначальная идея была из химии и предназначена для слепых студентов, которые не могли видеть диаграммы или спектральные линии», — говорит она. На тот момент она создала тона только для восьми простейших элементов, но в 2016 году решила сделать то же самое для всех элементов таблицы Менделеева. «Убедиться, что наука верна, и довести ее до конца оказалось гораздо сложнее, чем я первоначально думал».

Используя данные Национального института стандартов и технологий, Линц и студент-исследователь тщательно изучили спектральные линии, наблюдаемые для каждого элемента. «Не существует математического способа автоматизировать это», — говорит Линц, отмечая, что некоторые элементы состоят из сотен отдельных линий, которые сливаются вместе. Ей пришлось разработать алгоритм, позволяющий определить, какие строки важны для создания звука, а какие нет. Затем, используя программное обеспечение для аудиоинженерии, она применила методы обработки сигналов для создания звуков из математической суммы каждого набора строк.

К ноябрю 2022 года Линц наконец завершил создание звуковой таблицы Менделеева. Ее коллеги-химики сразу же захотели узнать, можно ли идентифицировать какую-либо из групп таблицы Менделеева — металлы, благородные газы, щелочи — по их звукам. Все ли элементы, например, группы переходного металла, имеют определенное качество тона? «Мы могли видеть некоторые корреляции между формами сигналов различных элементов. Но эти корреляции не соответствовали никаким группам таблицы Менделеева», — говорит Линц. Группы периодической таблицы основаны на электронах внешней оболочки и на том, как они могут распределяться между атомами для образования химических связей. Однако спектральные линии основаны на переходах, которые совершают электроны внутри одного атома. «Вполне логично, что группы периодической таблицы не демонстрируют те же закономерности, что и звуки, создаваемые спектральными линиями», — говорит Линц.

Вместо этого Линц и ее коллеги изучают, какие закономерности возникают, группируя элементы в зависимости от того, насколько гармонично они звучат. Одна закономерность, которую они обнаружили на данный момент, заключается в том, что элементы с меньшей массой, такие как углерод, кислород и водород, имеют тенденцию иметь диссонирующие тона. Спектральные линии этих легких элементов расположены по всему спектру. Напротив, более тяжелые металлы, такие как свинец, имеют более чистые тона, которые имеют тенденцию быть более высокими. Спектральные линии этих элементов расположены намного ближе друг к другу, в результате чего форма сигнала приближается к чистой синусоидальной волне. Но среди тяжелых металлов есть исключение: таллий необычайно диссонансен. «Это не принадлежит. Это тип необычной модели, которая меня интригует», — говорит Линц.