Nouvelles

Nov 09, 2023

La physique

Au début de son mandat de professeur de physique au Skidmore College de New York, Jill

Au début de son mandat d'enseignante de physique au Skidmore College de New York, Jill Linz a voulu fusionner sa formation en musique classique avec sa vie scientifique professionnelle. Elle a trouvé un lieu pour ce croisement de disciplines dans un projet qui a cartographié les données atomiques en tonalités audibles uniques. Maintenant, ce qui a commencé comme un outil pédagogique l'a amenée à créer un "tableau périodique auditif" complet. En examinant les formes d'onde et les qualités tonales de chaque élément du tableau, elle commence à explorer comment cette "sonification" des atomes pourrait révéler des relations structurelles inattendues entre les éléments. Le travail a été présenté à la 183e réunion de l'Acoustical Society of America.

La motivation originale de Linz pour la sonification des atomes est venue en 1997 alors qu'il enseignait un cours sur l'acoustique musicale et les techniques de synthèse numérique. "Je voulais faire des sons sympas !" elle dit. Et c'est ce qu'elle a fait en générant des formes d'onde qui représentaient les raies spectrales du carbone, de l'hydrogène et d'autres éléments simples. Ces raies spectrales correspondent à des transitions entre des états d'énergie électronique, qui se traduisent par une émission de lumière à des fréquences spécifiques. Linz a pris ces fréquences lumineuses et les a exprimées en fréquences audibles sur une échelle de 0 à 1000 Hz. Elle a ensuite entré les fréquences converties et les amplitudes relatives - une valeur correspondant à la luminosité de cette composante de couleur - dans un programme audio numérique qui les a combinées pour former un son de base brut. Enfin, en appliquant une décroissance exponentielle à ce son, elle a créé un son de "cordes pincées" qui sonne plus agréable à l'oreille. Ces tonalités atomiques originales ont inspiré des morceaux de musique classique et contemporaine, l'analyse scientifique étant une pensée lointaine.

En tant qu'éducateur et physicien, cependant, la précision était primordiale pour Linz. Alors que le projet Atom Music se développait et devenait un cours populaire parmi les étudiants en sciences et non scientifiques, les collègues de physique et de chimie de Linz l'ont exhortée à publier ses méthodes et à compléter un tableau périodique complet. "L'idée originale venait de la chimie, pour les étudiants aveugles qui ne pouvaient pas voir les graphiques ou les lignes spectrales", dit-elle. À l'époque, elle n'avait créé des tons que pour les huit éléments les plus simples, mais elle a décidé en 2016 de faire de même pour tous les éléments du tableau périodique. "S'assurer que la science était correcte et tout voir s'est avéré beaucoup plus difficile que je ne le pensais au départ."

À l'aide des données de l'Institut national des normes et de la technologie, Linz et un étudiant en recherche se sont penchés sur les raies spectrales observées pour chaque élément. "Il n'y a aucun moyen mathématique d'automatiser cela", explique Linz, notant que certains éléments ont des centaines de lignes individuelles qui se mélangent. Elle a dû développer un algorithme pour déterminer quelles lignes étaient importantes pour créer un son et lesquelles ne l'étaient pas. Puis, à l'aide d'un logiciel d'ingénierie audio, elle a appliqué des méthodes de traitement du signal pour créer des sons à partir de la somme mathématique de chaque ensemble de lignes.

En novembre 2022, Linz avait enfin terminé le tableau périodique audible. Ses collègues chimistes ont immédiatement voulu savoir si l'un des groupes du tableau périodique - métaux, gaz nobles, alcalins - pouvait être identifié par leurs sons. Est-ce que tous les éléments, par exemple, dans le groupe des métaux de transition partagent une qualité sonore particulière ? "Nous avons pu voir des corrélations entre les formes d'onde de différents éléments. Mais ces corrélations ne correspondaient à aucun groupement de tableaux périodiques", explique Linz. Les groupes du tableau périodique sont basés sur les électrons de la couche externe et sur la manière dont ils peuvent être partagés entre les atomes pour former des liaisons chimiques. Les raies spectrales, cependant, sont basées sur les transitions que les électrons effectuent au sein d'un seul atome. "Il est logique que les groupes du tableau périodique ne présentent pas les mêmes modèles que les sons créés à partir de raies spectrales", explique Linz.

Au lieu de cela, Linz et ses collègues explorent les motifs qui apparaissent en regroupant les éléments en fonction de leur harmonie sonore. Un modèle qu'ils ont trouvé jusqu'à présent est que les éléments de masse inférieure, tels que le carbone, l'oxygène et l'hydrogène, ont tendance à avoir des tons dissonants. Les lignes spectrales de ces éléments légers sont espacées sur tout le spectre. En revanche, les métaux plus lourds tels que le plomb ont des tons plus purs qui ont tendance à être plus aigus. Les lignes spectrales de ces éléments sont beaucoup plus proches les unes des autres, ce qui donne une forme d'onde qui se rapproche d'une onde sinusoïdale propre. Mais il y a une exception parmi les métaux lourds : le thallium est exceptionnellement dissonant. "Cela n'appartient pas. C'est le type de modèle aberrant qui m'intrigue", déclare Linz.

À l'avenir, elle souhaite examiner de plus près les corrélations entre les types et les qualités des formes d'onde. Existe-t-il un lien entre des éléments qui produisent un son sinusoïdal aigu ? Ou ceux qui sont dissonants et claquants ? Ces modèles peuvent-ils fournir des informations sur la structure interne de l'atome ? Un ingénieur du son n'écoute pas seulement la tonalité, mais fait également attention à la forme d'onde numérique et à la distribution spectrale. Peut-être que les physiciens et les chimistes passionnés de musique peuvent faire de même pour obtenir des informations sur les éléments atomiques.

Le tableau périodique audible prouve son intrigue pour la musique et la science. Les sons de l'atome ont déjà inspiré plusieurs projets musicaux : une composition de musique "water" faite en mélangeant les notes des spectres hydrogène et oxygène, un travail d'improvisation basé sur les gammes musicales de différents éléments, et une chanson blues tirée des "chords" de l'atome d'hélium. Les performances à venir incluent la Suite atomique pour orchestre à cordes et une pièce basée sur les signatures sonores du fer et de l'oxygène, composants clés du transport des globules rouges. Les étudiants participant à la réunion d'hiver de l'Acoustical Society of America ont qualifié la musique atomique de "géniale" et ont approché Linz pour travailler avec elle à la fois sur la synthèse musicale et la recherche en physique. Elle dit : « J'ai le sentiment que ce que j'ai créé est un nouvel outil pour étudier le monde atomique. J'espère vraiment que d'autres le trouveront également un outil utile.

–Rachel Berkowitz

Rachel Berkowitz est rédactrice en chef correspondante pour Physics Magazine basée à Vancouver, au Canada.

Une théorie dérivée de la dynamique des fluides non linéaires est capable de reproduire la dynamique de formation des communautés haineuses en ligne, offrant des informations qui pourraient éclairer les politiques publiques. En savoir plus "

En exploitant un phénomène appelé résonance stochastique, les capteurs peuvent mieux fonctionner dans un environnement bruyant que dans un environnement sans bruit. En savoir plus "

Les champs gravitationnels des trous noirs et d'autres objets compacts sont suffisamment forts pour qu'ils puissent arracher des particules sans masse du vide et les faire exister, provoquant la désintégration des objets. En savoir plus "