Наука в звуке: как записать тишину

Каждый школьник знает: в космосе нельзя послушать музыку. Космос — это вакуум, а звуковые волны способны распространяться только в твердой, жидкой или газообразной среде. Мы не знаем, как звучат элементарные частицы: человеческое ухо неспособно уловить столь слабые колебания. И все же благодаря стараниям ученых мы можем услышать звук столкновения черных дыр, песни Солнца, юпитерианские молнии, колебания бозона Хиггса — и даже сделать из этих таинственных шумов музыку. «Футурист» объясняет, как можно услышать тишину.

Звук — это всего лишь возмущение, которое проходит через какую-либо среду. Наиболее часто мы слышим колебания воздуха. Источники этих возмущений бесконечны. Включите, скажем, песню Дэвида Боуи, и прибавьте громкость в колонках. Ваш динамик создает вибрации в молекулах воздуха, которые начинают танцевать и врезаться друг в друга. Этот танец захватывает все молекулы воздуха вокруг вас, и в какой-то момент звуковая волна достигает вашей барабанной перепонки. Ваш мозг, в свою очередь, распознает колебания как грохот ритм-секции и гитарные риффы.

Звук — далеко не самое распространенное явление в межпланетном и межзвездном пространстве. Звук — это механические волны, которые не могут путешествовать без среды — точно также, как морские волны не могут существовать без моря. Зато электромагнитные волны способны распространяться в пустоте и обладают свойствами, которые идеально соответствуют звуку. У них есть частота (насколько часто волна достигает своего «гребня») и амплитуда (разница между самым «высоким» и самым «низким» колебанием»). Наш мозг преобразовывает звуковую частоту в определенный тон, и точно также он поступает со световой волной, распределяя частоты по цветам спектра. Амплитуда звуковой волны для нас означает громкость — точно также амплитуду световой волны наши глаза и оптические приборы преобразуют в параметр яркости. Именно по этому принципу работает радио: передатчик превращает звук в электромагнитные радиоволны, накладывая на волны определенной частоты информационный сигнал, а приемник ловит их и переводит их обратно в звук.

Сверхдлинные радиоволны, приходящие к нам из космоса, сравнимы по частоте с частотами воздушных колебаний, слышимых нашим ухом. Так, слышимый диапазон составляет 20-20000 Гц , а диапазон мириамертровых (сверхдлинных) волн от 3000 до 30000 Гц. И есть еще декамириаметровые (300-3000 Гц) и гектомириаметровые (30-300 Гц) которые по частоте также вписываются в звуковой диапазон. Конечно, услышать такие волны мы не можем, так как наше ухо воспринимает только колебания воздуха. Но их можно принять антенной и передать на обычный динамик.

Перевод массива данных в звуковой сигнал называется сонификацией (русское слово «озвучивание» характеризует этот процесс неточно). Классический пример сонификации — счетчик Гейгера. В 1908 году немецкий физик Ганс Гейгер предложил способ подсчета ионизирующих частиц радиоактивных элементов. Счетчик Гейгера представляет собой трубку, заполненную инертным газом, стенки которой являются катодом (-), а проволока внутри — анодом (+) . Когда ионизирующая частица пролетает через эту трубку, она ионизирует молекулы инертного газа. В результате образуются свободные электроны, которые разлетаются к аноду и катоду. Разряжение напряжения превращается в звуковой сигнал — известный всем щелчок. Частота треска соответствует интенсивности излучения.

Сейчас сонификацию используют ученые, чтобы более доступно объяснить людям свои изыскания, и музыканты, чтобы сделать свое творчество более атмосферным, осмысленным и наукоемким. Сонификация проникла не только в космос, но и в другие «молчаливые» сферы науки, такие как палеонтология, математика и биология.

Эхо гравитационных волн

Сто лет назад Эйнштейн предсказал, что гравитация перемещается в космосе в виде небольших возмущений, которые вызывают растяжения и сжатия пространства. В феврале этого года его теория подтвердилась. В 2015 году астрофизикам удалось зафиксировать гравитационные волны с помощью лазерного интерферометра гравитационно-волновой обсерватории LIGO. Сигнал поступил на детекторы в результате столкновения двух черных дыр.

Колебания лазера позволили ученым вычислить частоту гравитационной волны и ее амплитуду. С помощью этих параметров ученые смоделировали звук на компьютере. LIGO зарегистрировал амплитуды этих волн как возмущения размером с малую долю протона, поэтому звук получился слишком тихим и низким, и исследователям пришлось его усилить.

«Мы ... поиграли с нашими сигналами и увеличили их частоту на компьютере, так они стали приятнее слуху,» — рассказал Алан Вайнштейн, профессор физики Калифорнийского технологического института и сотрудник LIGO. »Я не могу придумать более интересное применение сонификации».

Этот звук использовала певица и ученый-биомедик Симонна Джонс в своем новом треке «Alchemy» («Алхимия»). Исполнительница, по ее собственным словам, стремилась показать в своем творении, как экзистенциальная идея о поиске смысла жизни и нашего места во Вселенной объединяет художников, ученых и музыкантов.

Танец элементарных частиц

Помимо шума гравитационных волн, в треке Симонны Джонс есть другие научные звуки. Один из сэмплов во вступлении напоминает по звучанию старую песенку «У Мэри был барашек» («Mary Had A Little Lamb») — эту мелодию записали исследователи Массачусетского технологического института. Их проект Quantizer превращает в звук сигналы частиц, сталкивающихся в Большом адронном коллайдере (БАК). Данные БАК содержат информацию о типе частицы и ее энергии. Команда Quantizer создала карту, которая сопоставляет часть детектора, через которую прошла частица и ноты на шкале, чтобы создать звуковой файл. Музыкант и выпускник MIT Эван Линч создал синтезатор и компьютерную программу, считывающие эти файлы.

Несмотря на то, что эти звуки не несут никакой очевидно полезной информации, ученые считают, что эти звуки могут помочь почувствовать науку.

«Я думаю, нет никаких причин не использовать весь диапазон чувств. Это нужно для того, чтобы мозг получил информацию», — говорит Тим О'Брайен, заместитель директора центра астрофизики Манчестерского университета. «Это действительно может заставить вас понимать данные по-другому. Это не только о привлечении людей, которые не являются экспертами в физике. Иногда ученые на самом деле могут услышать что-то ... что они не заметили в визуальном представлении»

Симфония планет

Чтобы получить «космическую музыку», ученые используют несколько приемов. Они записывают колебания заряженных частиц, возникших в результате взаимодействия магнитосферы планеты с солнечным ветром. Кроме этого, они фиксируют »голос» самой магнитосферы и шум электромагнитного поля в космосе. Электронные датчики также записывают радиоволны, которые гуляют между нижнем слоем атмосферы планеты и ее поверхностью. Также ученые часто записывают процесс испускания заряженных частиц кольцами некоторых планет.

В 1979 году Билл Куртц из Университета Айовы включал на пресс-конференции НАСА, посвященной «Вояджеру», запись песни Юпитера. Эти сигналы, пойманные »Вояджером-1», демонстрируют, как световые волны, порожденные юпитерианскими молниями, взаимодействуют с магнитным полем планеты. На видео показана спектрограмма: синий цвет обозначает более слабые сигналы, а красный — сильные.

«Когда показываешь такой график публике, она начинает теряться и скучать», — говорит Куртц. «Но если у нас есть звук, который похож на то, что можно услышать, сидя в наушниках в космическом корабле, это дает примерно такой же эффект, как фотография Луны».

В этом году команда Куртца вновь «записала» звуки Юпитера. Ученые провели сонификацию данных, которые прислал космический аппарат «Юнона». На этой записи магнитное поле Юпитера взаимодействует с частицами солнечного ветра.

Конечно, услышать можно не только Юпитер. НАСА регулярно выкладывает разнообразные космические звуки на Soundcloud. Там есть голоса астронавтов «Аполлона-11», рев «шаттла», звуки Земли с золотой пластинки «Вояджера» — среди них вы найдете и сонифицированные данные различных миссий.

Марс, кстати, ученым НАСА записать так и не удалось. На марсоходе Curiosity отсутствует звукозаписывающий модуль, а в предыдущих Однако они нашли способ передать марсианскую атмосферу: они реконструировали амплитуду колебаний марсохода Curiosity.

Крик рождения Вселенной

Вероятно, самый первый звук должен был родиться вместе с нашей Вселенной. Согласно теории Большого взрыва, Вселенная по мере остывания в возрасте 400 тысяч лет была заполнена газом. Значит, этот звук теоретически можно было бы услышать, если бы что-то живое существовало на тот момент. Впрочем, ученые уверены, что зыук можно воссоздать: для этого предлагается использовать взять карту реликтового излучения. На ней отображены следы неравномерного остывания Вселенной — следствие звуковых колебаний, вероятно, первых акустических процессов.

Профессор Марк Уиттл из Университета Вирджинии проанализировал реликтовое излучение и создал аудиозапись, которую окрестили «криком рождения Вселенной». Длина этих космических аудиоволн, синтезированных на компьютере – 30 тысяч световых лет; они на 55 октав ниже нижней границы человеческого слуха. Однако если их перевести в привычный человеку звуковой диапазон, можно услышать первый крик новорожденной Вселенной.

«Прослушав эту запись, должен признать, что Вселенная — это паршивый музыкальный инструмент», — смеется Марк.

Музыка чисел

Музыканты часто говорят, что музыка – это математика. Они имеют в виду гармонию, которая строится по определенным канонам, точно высчитанным и выверенным соотношениям интервалов и ступеней. Неудивительно, что музыканты сумели переложить на ноты математические константы – число Пи и число Тау.

Музыкант и математик-любитель Дэвид Макдоналд взял за основу число Пи. Каждое последующее число после запятой он сопоставил с нотой в тональности ля-минор: ля — это 0, ля-диез — 1, си — 2. Мелодию числа он играл правой рукой, а левой аккомпанировал, добавляя гармонию. С помощью своего творения Макдональд смог запомнить 150 цифр после запятой.

Его коллега, американец Майкл Блейк, воспользовался тем же принципом и положил на ноты другую константу – число Тау. Оно больше Пи примерно в два раза и равняется 6,283185… Ранее музыкант раскладывал подобным образом число Пи, но, по его мнению, Тау звучит более гармонично. Майкл сыграл всего 126 нот после запятой.

Рулады Солнца

Эта мелодия была записана космическим аппаратом SOHO (Solar and Heliospheric Observatory), основной задачей которого было изучение Солнца. На борту SOHO был инструмент для наблюдения низкочастотных глобальных колебаний Солнца. Эта запись сделана с его помощью данных, полученных этим инструментом. Атмосферная циркуляция внутри Солнца вызывает звук очень низкой частоты.

Другие записи SOHO можно послушать на университетской странице ученого Стенфордского университета Александра Косовичева.

Кузнечики Юрского периода

Иногда ученым приходится не напрямую сонифицировать сигналы, а косвенными методами реконструировать звучание. Вот, например, палеонтологи смогли воссоздать стрекотание кузнечиков, обитавших на Земле 165 миллионов лет назад, в середине Юрского периода.

Китайские палеонтологи обнаружили редкую окаменелость кузнечика, на которой были видны мельчайшие детали его организма — в том числе и органы, воспроизводящие звуки. Их коллеги, специалисты по биомеханике слуха и пения насекомых сравнили строение древнего насекомого и 59 разновидностей современных кузнечиков. Они пришли к выводу, что этот кузнечик, скорее всего, использовал тот же механизм воспроизведения звуков на определенной частоте, что и его далекие потомки. Ученые смогли понять, как звучала песня этого кузнечика, вычислив частоту и длину его трели. Выяснилось, что животное должно было с помощью резонанса в течение 16 миллисекунд воспроизводить звуковые сигналы на частоте 6,4 кГц (современные кузнечики стрекочут на частоте 3,6-4 кГц).

Обнаруженный вид исследователи назвали Archaboilus musicus.

Растения-музыканты

Итальянский музыкант и художник Симон Виталь создал целый оркестр из растений. Проект The Sound of Golden Light — это серия расслабляющих композиций, исполненных растениями. Самый известный альбом исполнен комнатным цветком Антуриум Андрэ (Anthurium Andreanum). Растение подает сигналы в ответ на электрические раздражители. Собранные данные Симон конвертирует в MIDI-сигнал, который посылается синтезатору. Музыкант утверждает, что через некоторое время после подключения к устройству растения начинают «понимать», что музыка исходит от них самих.

А немецкий композитор Bartholomäus Traubeck догадался использовать дерево в качестве аудионосителя. Концентрические кольца на срезе дерева, по которым обычно определяют возраст дерева, имеют неровности — это записанная информация о росте дерева и климатических колебаниях. Этот рисунок напоминает бороздки виниловой пластинки. Музыкант обратил на это внимание и решил поиграть музыку «на пеньках». Traubeck заменил считывающую иглу обычной «вертушки» компьютеризированной системой, включающей камеру и направленный источник света, и объединил этот агрегат с фортепиано.

По словам композитора, на создание такой конструкции его вдохновила обложка альбома группы Jethro Tull «Songs From The Wood».