Музична теорія та квантова механіка

Переклад.: Це ще один переклад статті з блогу Етана Хайна (Етан є доцентом музичної технології Університету Нью-Йорка). У цій статті він визначає взаємозв’язок теорії музики та квантової механіки та сперечає, що традиційна графічна візуалізація мікрокосми поступається багатьма способами аналогам, які можуть запропонувати гітарист або скрипаль. Детальніше про свої матеріали в нашому перекладі тут: 1 (про методику візуалізації музики), 2 (про основи перетворення аналогового звуку в цифровий).

У старшій школі ви напевно побачили схожу картину:



Цей образ показує стилізований нуклеус з червоними протонами і синими нейтронами, що об'єднуються трьома сірими електронами. Це досить стандартне зображення. Це може зробити хороший логотип. На жаль, вона повністю неправильна. Субатомічні частинки однаково схожі на дрібні скляні кульки, але ступінь схожості надзвичайно невелика. Електрони дійсно рухаються навколо ядер, але це не рухається уздовж еліптичної траєкторії, так як якщо вони були маленькі супутники, які орбітують планету. Справжня природа електронів в атомі набагато більше незвичайних і цікавих. І зображення можуть навряд чи передати сутність квантових частинок. Це набагато простіше.

Проблема з фотографіями в підручниках, як зображення вище, полягає в тому, що вони роблять вас сприймати частинки як «уроки». І вони не є. Вони приходять і йдуть як швидко спалахи, більше як наші ідеї енергії. Що ми називаємо «частинки» насправді кластерами енергетичних полів.

Протони і електрони приваблюють один до одного, як магніт приваблюють до холодильника. Якщо електрони були дійсно такими маленькими місяцями, що рухаються по планеті, вони можуть орбітати на будь-якій відстані від ядер і легко впадуть в ядер і колоїд з протонами. Але це не відбувається. Електрони завжди самоорганізуються в дуже специфічні просторові структури навколо ядер. Цей факт здавав таємницю до тих пір, поки вчені почали розглядати електрони як ймовірні хвилі в енергетичній галузі.

Хороший аналог того, як частинки насправді є телевізором білого шуму, який складається з величезної кількості електронів довільно відображається на екрані. Спробуйте уявити це «статичний» навколо ядра атома, і ви отримаєте набагато краще картину того, що відбувається, ніж зображення, надані супутниками, орбітальні планети.



Коли електрони на орбіті навколо атома або молекули, їх візерунок руху не випадково, на відміну від білого шуму на екрані телевізора. Коли електрони рухаються на орбіті атомів, їх енергетичні поля організуються в структуру, схожу на прокат рифів. Ви можете вивчити цей візерунок з інтерактивною візуалізацією Paul Falstead субатомічного світу – подивіться на тренажер водню на кінці квантової механіки.

Але що це потрібно робити з музикою? Вібрацій електронного поля навколо атома діють як гармонічні коливання. Електрони мають гармоніку, як і гітарні рядки. гармоніки електронів мають три розміри, на відміну від одновимірної гармоніки ниток, але вони ґрунтуються на одному принципі. Ці гармоніки визначають структуру і взаємодії електронної хвилі, так само як гармоніки рядка формують основу акордів і масштабів. гармоніки електронної поля називають орбітальними.

Весь фізичний світ складається з електронної гармоніки

Знімок екрана яблука для квантових гармонічних коливань Фальста показує першу гармонічну електрону поле навколо молекули H2, дві атоми водню, кожен складається з одного протона і одного електрона. Це "електроніка" еквівалент гармоніки гітарного рядка на 12-му фреті. Синя краплі показує позицію одного електрона, червоної краплі показує позицію іншого електрона. На більш високих рівнях енергії орбіти беруть на більш складні форми. Це прямий аналогія більш складних музичних інтервалів, які можна отримати з більш високих гармонік гітарного рядка.



Орбітали можна розглядати як систему невеликих клітин, кожен з яких може зайняти тільки одну електрону. Ці клітини розбиваються в парах, а електрони «префер» жити в сусідніх клітинах. Структура всіх об'єктів і хімічних елементів визначається як зовнішні орбіти атомів взаємодії. Якщо найвіддаленіші клітини не захоплені, електрони інших атомів можуть заповнювати їх, згортаючи атоми в молекули. Всі рідкі та тверді матеріали зберігають свою структуру шляхом обміну електронами між орбітальними.

Нижче наведено молекулярну структуру льоду, створену Masakatsu Matsumoto. Червоні кульки кисневих атомів. Блюз – водневі атоми. Жовті штанги є облігаціями – вони створюються електронами, що обмінюються найбільш віддаленими орбітальними атомами кисню та водню.



Ця шестигранна структура льоду з'являється через те, як кисневий і водневий орбітальний лінії вгору. Ви можете побачити цю шестигранну структуру, що повторює себе на макрорівні у вигляді сніжинок і заморозків.

Якщо ви нагрівите лід до точки плавлення, ви по суті випалите фотони на поверхні льоду, вибиваючи електрони з орбітацій, щоб вони могли вільно рухатися від атома до атому. Атоми залишаються обмеженими, але не так жорстко, а їх структура зв'язування стає менш «обмеженою. й



Якщо ви продовжуєте процес фотонапилення, ви повністю порушите зв’язки молекул, які почнуть вільно рухатися і самостійно в стані, ми називаємо парою. Якщо ви вогонь фотонів у парах, ви розбиваєте молекули, тим самим відокремивши електрони з нуклесу у вигляді плазми. Ще більший енергетичний імпульс розірвати ядро в протони і нейтрони, а самі протони і нейтрони розщепляться на компоненти: верхні і нижні кварки. Кварки, протони, нейтрони, нуклеї атомів і молекул вібрують енергетичні поля, кожен з яких має власну спеціальну хвильову форму і гармоніку.

Коли я опинився, я хотів би уявити, що все навколо мене, все питання та енергія переоцінюють енергетичні поля, які формують конзонанси, так само як звуки додають до акордів. Хто говорить наука не може бути веселою?

Альберт Ейнштейн розповів журналістам про те, що він часто «обґрунтований в плані музичної архітектури». Ейнштейн був захопленим скрипалом і став на засадах квантової механіки. Ці два факти пов'язані.

Чи мав Ейнштейн явний паралелі між музичною та квантовою гармонікою? Ми, ймовірно, ніколи не знаємо, але є підключення, і майбутні вчені будуть корисними. Концепція електронних орбітацій ще не повністю розроблена. Коли я був у старшій школі, мій (повний) вчитель хімії сказав, що ми не повинні навіть спробувати візуалізувати справжню природу електронів. Вона була правою, не намагалася блювати нас до примітивних пояснень або привести нас до неправильного шляху, але вона подарувала занадто скоро. Не вдалося використовувати потужну інтерактивну візуалізацію комп’ютера, але наша школа мала великий музичний клас. Якщо у мене є можливість навчити хімію дітям, я вперше спробую переконатися, що вони досвідчені музичні гармоніки на практиці. Я покажу їх, що вища гармоніка вимагає більшої енергії для відтворення, і як ці більш високі гармоніки дозволяють багату музичну палітру. А потім, якщо ми йдемо до хімії, це набагато простіше для дітей, щоб зрозуміти.

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