Теория музыки и квантовая механика

Прим. перев.: это еще один перевод статьи из блога Итана Хайна (Итан – адъюнкт-профессор по направлению «музыкальные технологии» Университета Нью-Йорка). В этой статье он размышляет о связи теории музыки и квантвой механики и доказывает, что традиционная графическая визуализация микромира во многом уступает аналогиям, которые может предложить, например, гитарист или скрипач. Другие его материалы в нашем переводе читайте здесь: 1 (о приемах визуализации музыки), 2 (об основах превращения аналогового звука в цифровой).

В старших классах школы вы, вероятно, видели похожую картинку:



На этом рисунке изображено стилизованное ядро с красными протонами и синими нейтронами, окруженное тремя серыми электронами. Эта симпатичная стандартная картинка. Из нее может получиться неплохой логотип. К несчастью, она, при этом, абсолютно неверна. Субатомные частицы до определенной степени похожи на маленькие стеклянные шарики, но степень этого сходства крайне невелика. Электроны действительно движутся вокруг ядра, но движение это происходит не по эллиптической траектории, как если бы они были маленькими спутниками, движущимися по орбите вокруг планеты. Истинная природа электронов в атоме гораздо более необычная и интересная. И изображения едва ли могут передать суть квантовых частиц. С помощью теории музыки это сделать гораздо проще.

Квантовые частицы – это волны

Проблема картинок в учебниках, подобных изображению выше, заключается в том, что из-за них вы начинаете воспринимать частицы, как «вещи». А они вещами не являются. Они появляются и исчезают, подобно быстрым вспышкам – это больше походит на наши представления об энергии. То, что мы называем «частицами» – на самом деле сгустки энергетических полей.

Протоны и электроны притягиваются друг к другу как магнитик притягивается к холодильнику. Если бы электроны действительно были похожи на маленькие спутники, движущиеся вокруг планеты, они бы могли вращаться на любом расстоянии от ядра и легко могли бы упасть в ядро и столкнуться с протонами. Но этого не происходит. Электроны всегда самоорганизуются в крайне специфические пространственные структуры вокруг ядра. Этот факт казался загадкой до тех пор, пока ученые не начали рассматривать электроны, как вероятностные волны в энергетическом поле.

Неплохой аналог того, как в действительности ведут себя частицы – телевизионный белый шум, который состоит из огромного количества электронов, в произвольном порядке высвечивающихся на экране. Попытайтесь представить вокруг ядра атома эту «статику», и вы получите гораздо лучшую картину происходящего, чем дают изображения со спутниками, вращающимися вокруг планет.



Когда электроны находятся на орбите вокруг атома или молекулы, их паттерн движения не случаен в отличие от белого шума на экране телевизора. Когда электроны движутся по орбите атомов, их энергетические поля организованы в структуру, похожую на накатывающую рябь. Вы можете изучить этот паттерн с помощью интерактивной визуализации субатомного мира от Пола Фэлстеда – поищите в конце секции «Квантовая Механика» симулятор атома водорода.

Но какое отношение все это имеет к теории музыки? Вибрации поля электрона вокруг атома действуют, как гармонические колебания. У электронов есть гармоники, так же, как и у гитарных струн. Гармоники электронов имеют три измерения в отличие от одномерных гармоник струн, но в их основе лежит тот же принцип. Эти гармоники определяют устройство и взаимодействия электронной волны, точно так же, как гармоники струны формируют основу аккордов и гамм. Гармоники электронного поля называются орбиталями.

Весь физический мир состоит из гармоник электронов

Этот скриншот апплета для квантовых гармонических колебаний Фэлстеда показывает первую гармонику электронного поля вокруг молекулы H2, двух атомов водорода, каждый из которых состоит из одного протона и одного электрона. Это «электронный» эквивалент гармоники гитарной струны на 12-м ладу. Голубая капля показывает положение одного электрона, красная капля – положение другого электрона. На более высоких энергетических уровнях орбитали принимают более сложные формы. Это прямая аналогия более сложных музыкальных интервалов, которые можно получить из более высоких гармоник гитарной струны.



Орбитали можно представить, как систему маленьких ячеек, каждую из которых может занимать только один электрон. Эти ячейки разбиты попарно, и электроны «предпочитают» жить в соседних ячейках. Структура всех объектов и химических элементов определяется тем, как взаимодействуют внешние орбитали атомов. Если самые удаленные ячейки оказываются незаняты, их могут заполнить электроны других атомов, сцепляя атомы в молекулы. Все жидкие и твердые материалы сохраняют свою структуру за счет обмена электронами между орбиталями.

Ниже изображена молекулярная структура льда, созданная Масакацу Мацумото. Красные шарики – атомы кислорода. Голубые – атомы водорода. Желтые стержни представляют собой связи – их создают электроны, которыми обмениваются наиболее удаленные орбитали атомов кислорода и водорода.



Эта шестигранная структура льда появляется из-за того, как выстраиваются орбитали кислорода и водорода. Вы можете наблюдать, как эта шестигранная структура повторяется на макроуровне в форме снежинок и инея.

Если вы нагреваете лед до температуры плавления, вы, в сущности, обстреливаете поверхность льда фотонами, выбивая электроны из орбиталей так, что они могут более свободно перемещаться от атома к атому. Атомы продолжают оставаться связанными, но не так жестко, и структура их связи становится менее «строгой».



Если вы продолжите процесс фотонного «обстрела», то полностью разорвете связи между молекулами, которые начнут свободно и независимо перемещаться в состоянии, которое мы называем паром. Если вы обстреляете фотонами пар, то разорвете молекулы, отделив тем самым электроны от ядра в форме плазмы. Еще больший энергетический импульс разорвет ядро на протоны и нейтроны, а сами протоны и нейтроны расщепит на составляющие: верхние и нижние кварки. Кварки, протоны, нейтроны, ядра атомов и молекулы представляют собой вибрирующие энергетические поля, каждое из которых имеет свою особую волновую форму и гармонику.

Когда мне становится скучно, я люблю воображать, что все вокруг меня, вся материя и энергия – это резонирующие энергетические поля, формирующие созвучия подобно тому, как звуки складываются в аккорды. Кто сказал, что наука не может быть забавной?

Обучение через музыку

Альберт Эйнштейн рассказывал репортерам, что он часто «рассуждает в терминах музыкальной архитектуры». Эйнштейн был увлеченным любителем игры на скрипке и стоял у основ квантовой механики. Возможно, эти два факта связаны.

Проводил ли Эйнштейн явные параллели между гармониками музыкальными и квантовыми? Об этом мы, вероятно, не узнаем никогда, но такая связь существует, и будущие ученые смогут извлечь из этого пользу. Концепция электронных орбиталей все еще не до конца проработана. Когда я учился в старших классах школы, моя (прекрасная) учительница химии говорила, что нам не стоит даже пытаться визуализировать истинную природу электронов. Она была права в том, что не пыталась унижаться до примитивных объяснений или вести нас по ложному пути, но она сдалась слишком рано. У нее, правда, не было возможности использовать мощную интерактивную компьютерную визуализацию, но в нашей школе был отличный музыкальный класс. Если у меня когда-нибудь будет возможность обучать детей химии, я в первую очередь попытаюсь убедиться, что они сталкивались на практике с музыкальными гармониками. Я бы показал им, что для воспроизведения более высоких гармоник требуется больше энергии, и то, как эти более высокие гармоники позволяют создавать более богатую музыкальную палитру. И если потом мы вернемся к химии, то детям понимать ее станет гораздо проще.

Источник: geektimes.ru/company/audiomania/blog/242552/