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Nov 09, 2023

物理

All'inizio del suo incarico come insegnante di fisica allo Skidmore College di New York, Jill

ニューヨークのスキッドモア大学で物理学の講師を務めた初期のジル・リンツは、クラシック音楽の背景と専門的な科学的生活を融合させたいと考えていました。 彼女は、原子データを独特の可聴音にマッピングするプロジェクトの中に、この分野を横断する場を見つけました。 現在、教育ツールとして始まったこの取り組みが、彼女を完全な「聴覚周期表」の作成に導きました。 表内の各元素の波形と音質を調べることで、彼女は原子のこの「音響化」が元素間の予期せぬ構造的関係をどのように明らかにするかを探求し始めています。 この作品は第 183 回アメリカ音響学会会議で発表されました。

リンツ氏が原子を音響化する最初の動機となったのは、1997 年に音楽音響学とデジタル合成技術のコースを教えていたときでした。 「かっこいい音を出したい！」 彼女が言います。 そして彼女は、炭素、水素、その他の単純な元素のスペクトル線を表す波形を生成することでそれを実現しました。 これらのスペクトル線は、電子エネルギー状態間の遷移に対応し、その結果、特定の周波数での発光が生じます。 リンツはこれらの光の周波数を取得し、0 ～ 1000 Hz のスケールで可聴周波数として表現しました。 次に、変換された周波数と相対振幅 (その色成分の明るさに対応する値) をデジタル オーディオ プログラムに入力し、それらを組み合わせて生のベース サウンドを形成しました。 最後に、このサウンドに指数関数的な減衰を適用して、より耳に心地よく聞こえる「弦を弾いた」トーンを作成しました。 これらのオリジナルの原子音はクラシック音楽や現代音楽の作品にインスピレーションを与え、科学的な分析は遠い考えでした。

しかし、教育者および物理学者として、リンツにとって正確さは最も重要でした。 アトム ミュージック プロジェクトが拡大し、理系学生と非理系学生の両方に人気のコースになると、リンツさんの物理学と化学の同僚は、リンツさんに自分の手法を公開して周期表全体を完成させるよう勧めました。 「元々のアイデアは、グラフやスペクトル線が見えない視覚障害のある学生のために化学から得たものでした」と彼女は言います。 当時、彼女は最も単純な 8 つの元素に対してのみトーンを作成していましたが、2016 年に周期表のすべての元素に対して同じことを行うことにしました。 「科学が正しいことを確認し、それを最後まで見通すことは、当初考えていたよりもはるかに難しいことが判明しました。」

リンツ氏と研究生は、国立標準技術研究所のデータを使用して、各元素で観測されたスペクトル線を詳しく調べました。 「これを自動化する数学的な方法はありません」とリンツ氏は言い、一部の要素には何百もの個別の線が混ざり合っていると指摘した。 彼女は、サウンドを作成するためにどの線が重要で、どの線がそうでないかを判断するアルゴリズムを開発する必要がありました。 次に、オーディオ エンジニアリング ソフトウェアを使用して、信号処理手法を適用し、各ラインのセットの数学的合計からサウンドを作成しました。

2022 年 11 月までに、リンツはついに可聴周期表を完成させました。 彼女の化学の同僚は、周期表のグループ (金属、希ガス、アルカリ) のいずれかが、その音によって識別できるかどうかをすぐに知りたがりました。 たとえば、遷移金属グループのすべての元素は特定の音質を共有していますか? 「さまざまな元素の波形間にいくつかの相関関係が見られました。しかし、これらの相関関係は周期表のどのグループにも一致しませんでした」とリンツ氏は言う。 周期表のグループは、外殻電子と、それらが原子間で共有されて化学結合を形成する方法に基づいています。 ただし、スペクトル線は、単一原子内で電子が行う遷移に基づいています。 「周期表グループがスペクトル線から生成される音と同じパターンを示さなかったのは当然です」とリンツ氏は言う。

その代わりに、リンツと彼女の同僚は、調和のとれた響きに応じて要素をグループ化することで、どのようなパターンが現れるかを研究しています。 研究者らがこれまでに発見したパターンの1つは、炭素、酸素、水素などの低質量元素は不協和音を持つ傾向があるというものだ。 これらの軽元素のスペクトル線は、スペクトル全体にわたって間隔をあけて配置されています。 対照的に、鉛などの重い金属はより純粋な音を持ち、ピッチが高くなる傾向があります。 これらの元素のスペクトル線は互いに非常に接近しており、その結果、波形はきれいな正弦波に近づきます。 しかし、重金属には例外があります。タリウムは異常に不協和音です。 「それは当てはまりません。これは私が興味をそそられる異常値のパターンの一種です」とリンツは言います。

今後は、波形の種類と品質の相関関係をさらに詳しく調べていきたいと考えています。 高音の正弦波音を持つ要素間に関連性はありますか? それとも不協和音やカタカタ音がするものですか？ これらのパターンから原子の内部構造に関する情報が得られるでしょうか? サウンドエンジニアは単に音を聴くだけでなく、デジタル波形とスペクトル分布にも注意を払います。 おそらく、音楽に興味のある物理学者や化学者も、原子元素に関する情報を得るために同じことができるでしょう。

可聴周期表は、音楽と科学の両方においてその陰謀を証明しています。 原子の音はすでにいくつかの音楽プロジェクトにインスピレーションを与えています。水素と酸素のスペクトルからの音を混合して作られた「水」音楽の作品、さまざまな元素の音階に基づいた即興作品、そして「コード」から引き出されたブルースソングです。ヘリウム原子の。 今後の公演には、弦楽オーケストラのための「Atomic Suite」や、赤血球輸送の重要な要素である鉄と酸素の音の特徴に基づいた作品が含まれます。 アメリカ音響学会の冬季会合に出席した学生たちは、アトムミュージックを「素晴らしい」と評価し、音楽合成と物理学の研究の両方で協力することをリンツ氏に打診した。 彼女は、「私が作成したものは、原子の世界を調査するための新しいツールであると感じています。他の人たちにも同様に有用なツールであると心から願っています。」と述べています。

–レイチェル・バーコウィッツ

Rachel Berkowitz は、カナダのバンクーバーに拠点を置く Physics Magazine の特派員編集者です。

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