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Nov 09, 2023

Physik

Zu Beginn ihrer Tätigkeit als Physiklehrerin am Skidmore College, New York, Jill

Zu Beginn ihrer Tätigkeit als Physiklehrerin am Skidmore College in New York wollte Jill Linz ihren Hintergrund in der klassischen Musik mit ihrem wissenschaftlichen Berufsleben verbinden. Sie fand einen Ort für diese Kreuzung von Disziplinen in einem Projekt, das atomare Daten in einzigartige hörbare Töne umwandelte. Was nun als Lehrmittel begann, hat sie dazu gebracht, ein vollständiges „akustisches Periodensystem“ zu erstellen. Indem sie die Wellenformen und Klangqualitäten jedes Elements in der Tabelle untersucht, beginnt sie zu erforschen, wie diese „Sonifizierung“ von Atomen unerwartete strukturelle Beziehungen zwischen Elementen offenbaren könnte. Das Werk wurde auf dem 183. Treffen der Acoustical Society of America vorgestellt.

Die ursprüngliche Motivation von Linz für die Beschallung von Atomen entstand 1997, als er einen Kurs über musikalische Akustik und digitale Synthesetechniken unterrichtete. „Ich wollte coole Sounds machen!“ Sie sagt. Und das tat sie, indem sie Wellenformen erzeugte, die die Spektrallinien von Kohlenstoff, Wasserstoff und anderen einfachen Elementen darstellten. Diese Spektrallinien entsprechen Übergängen zwischen elektronischen Energiezuständen, die zu einer Lichtemission bei bestimmten Frequenzen führen. Linz nahm diese Lichtfrequenzen und drückte sie als hörbare Frequenzen auf einer Skala von 0 bis 1000 Hz aus. Anschließend gab sie die umgewandelten Frequenzen und die relativen Amplituden – ein Wert, der der Helligkeit dieser Farbkomponente entspricht – in ein digitales Audioprogramm ein, das sie zu einem rohen Basisklang kombinierte. Schließlich wendete sie einen exponentiellen Abfall dieses Klangs an und erzeugte einen „Zupfsaiten“-Ton, der für das Ohr angenehmer klingt. Diese ursprünglichen Atomtöne inspirierten klassische und zeitgenössische Musikstücke, wobei wissenschaftliche Analysen noch in weiter Ferne lagen.

Als Pädagoge und Physiker stand für Linz jedoch Genauigkeit im Vordergrund. Als das Atom Music-Projekt expandierte und sowohl bei naturwissenschaftlichen als auch bei nichtwissenschaftlichen Studenten zu einem beliebten Kurs wurde, drängten die Linzer Physik- und Chemiekollegen sie, ihre Methoden zu veröffentlichen und ein komplettes Periodensystem zu vervollständigen. „Die ursprüngliche Idee kam aus der Chemie und richtete sich an blinde Schüler, die weder Diagramme noch Spektrallinien sehen konnten“, sagt sie. Damals hatte sie nur Töne für die acht einfachsten Elemente erstellt, doch 2016 beschloss sie, dasselbe für alle Elemente des Periodensystems zu tun. „Es stellte sich als viel schwieriger heraus, sicherzustellen, dass die Wissenschaft korrekt war und alles durchschaute, als ich ursprünglich gedacht hatte.“

Anhand von Daten des National Institute of Standards and Technology in Linz untersuchten ein Forschungsstudent die Spektrallinien, die für jedes Element beobachtet wurden. „Es gibt keine mathematische Möglichkeit, dies zu automatisieren“, sagt Linz und weist darauf hin, dass einige Elemente Hunderte einzelner Linien haben, die ineinander übergehen. Sie musste einen Algorithmus entwickeln, um zu bestimmen, welche Linien für die Klangerzeugung wichtig sind und welche nicht. Anschließend wandte sie mithilfe von Audio-Engineering-Software Signalverarbeitungsmethoden an, um Klänge aus der mathematischen Summe jedes Zeilensatzes zu erzeugen.

Bis November 2022 hatte Linz endlich das hörbare Periodensystem fertiggestellt. Ihre Chemiekollegen wollten sofort wissen, ob sich bestimmte Gruppen des Periodensystems – Metalle, Edelgase, Alkalien – anhand ihrer Geräusche identifizieren ließen. Haben beispielsweise alle Elemente der Übergangsmetallgruppe eine bestimmte Klangqualität gemeinsam? „Wir konnten einige Korrelationen zwischen den Wellenformen verschiedener Elemente erkennen. Diese Korrelationen stimmten jedoch nicht mit irgendwelchen Gruppierungen im Periodensystem überein“, sagt Linz. Periodensystemgruppen basieren auf Elektronen der äußeren Hülle und darauf, wie sie zwischen Atomen geteilt werden können, um chemische Bindungen zu bilden. Spektrallinien basieren jedoch auf den Übergängen, die Elektronen innerhalb eines einzelnen Atoms durchführen. „Es macht Sinn, dass Periodensystemgruppen nicht die gleichen Muster zeigten wie aus Spektrallinien erzeugte Klänge“, sagt Linz.

Stattdessen untersuchen Linz und ihre Kollegen, welche Muster auftreten, indem sie Elemente danach gruppieren, wie harmonisch sie klingen. Ein Muster, das sie bisher gefunden haben, ist, dass Elemente mit geringerer Masse – wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff – dazu neigen, dissonante Töne zu haben. Die Spektrallinien dieser Lichtelemente sind über das gesamte Spektrum verteilt. Im Gegensatz dazu haben schwerere Metalle wie Blei reinere Töne, die tendenziell höher sind. Die Spektrallinien dieser Elemente liegen viel näher beieinander, was zu einer Wellenform führt, die einer sauberen Sinuswelle nahekommt. Bei den Schwermetallen gibt es jedoch eine Ausnahme: Thallium ist ungewöhnlich dissonant. „Das gehört nicht dazu. Das ist die Art von Ausreißermuster, die mich fasziniert“, sagt Linz.

Zukünftig möchte sie Zusammenhänge zwischen Wellenformtypen und -qualitäten genauer untersuchen. Gibt es einen Zusammenhang zwischen Elementen, die einen hohen, sinusförmigen Klang haben? Oder solche, die dissonant und klirrend sind? Können diese Muster Aufschluss über die innere Struktur des Atoms geben? Ein Tontechniker hört nicht nur auf den Ton, sondern achtet auch auf die digitale Wellenform und die spektrale Verteilung. Vielleicht können musikinteressierte Physiker und Chemiker das Gleiche tun, um Informationen über die atomaren Elemente zu erhalten.

Das hörbare Periodensystem erweist sich gleichermaßen für Musik und Wissenschaft als faszinierend. Die Atomklänge haben bereits mehrere Musikprojekte inspiriert: eine Komposition aus „Wasser“-Musik, die durch Mischen der Noten aus den Wasserstoff- und Sauerstoffspektren entsteht, eine Improvisationsarbeit, die auf den Tonleitern verschiedener Elemente basiert, und ein Blues-Song, der aus den „Akkorden“ besteht. des Heliumatoms. Zu den bevorstehenden Aufführungen gehören die Atomic Suite für Streichorchester und ein Stück, das auf den Tonsignaturen von Eisen und Sauerstoff basiert – Schlüsselkomponenten des Transports roter Blutkörperchen. Studenten, die an der Wintertagung der Acoustical Society of America teilnahmen, nannten die Atommusik „großartig“ und wandten sich an Linz, um mit ihr sowohl an der Musiksynthese als auch an der Physikforschung zusammenzuarbeiten. Sie sagt: „Ich habe das Gefühl, dass das, was ich geschaffen habe, ein neues Werkzeug zur Erforschung der Atomwelt ist. Ich hoffe wirklich, dass es auch für andere ein nützliches Werkzeug ist.“

–Rachel Berkowitz

Rachel Berkowitz ist korrespondierende Redakteurin für das Physics Magazine mit Sitz in Vancouver, Kanada.

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