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Nov 09, 2023

Fisica

Early in her tenure as a physics instructor at Skidmore College, New York, Jill

All'inizio del suo incarico come insegnante di fisica allo Skidmore College di New York, Jill Linz voleva fondere il suo background di musica classica con la sua vita professionale scientifica. Ha trovato un luogo per questo incrocio di discipline in un progetto che mappava i dati atomici in toni udibili unici. Ora, quello che era iniziato come uno strumento educativo l'ha portata a creare una "tavola periodica uditiva" completa. Esaminando le forme d'onda e le qualità tonali di ciascun elemento della tavola, sta iniziando a esplorare come questa "sonificazione" degli atomi potrebbe rivelare relazioni strutturali inaspettate tra gli elementi. Il lavoro è stato presentato al 183° Meeting della Acoustical Society of America.

La motivazione originale di Linz per la sonificazione degli atomi è arrivata nel 1997 mentre teneva un corso sull'acustica musicale e sulle tecniche di sintesi digitale. "Volevo creare suoni fantastici!" lei dice. E lo ha fatto, generando forme d’onda che rappresentavano le linee spettrali del carbonio, dell’idrogeno e di altri elementi semplici. Queste linee spettrali corrispondono alle transizioni tra stati energetici elettronici, che provocano un'emissione di luce a frequenze specifiche. Linz prese queste frequenze luminose e le espresse come frequenze udibili su una scala da 0 a 1000 Hz. Quindi ha inserito le frequenze convertite e le relative ampiezze, un valore corrispondente alla luminosità di quella componente di colore, in un programma audio digitale che le ha combinate per formare un suono di base grezzo. Infine, applicando un decadimento esponenziale a questo suono, ha creato un tono di "corda pizzicata" che suona più piacevole all'orecchio. Questi toni atomici originali hanno ispirato brani di musica classica e contemporanea, con l'analisi scientifica un pensiero distante.

Come educatore e fisico, tuttavia, la precisione era fondamentale per Linz. Man mano che il progetto Atom Music si espandeva e diventava un corso popolare tra gli studenti di scienze e non, i colleghi di fisica e chimica di Linz la esortarono a pubblicare i suoi metodi e a completare un'intera tavola periodica. "L'idea originale proveniva dalla chimica, per gli studenti ciechi che non potevano vedere i grafici o le linee spettrali", afferma. All'epoca aveva creato i toni solo per gli otto elementi più semplici, ma nel 2016 ha deciso di fare lo stesso per tutti gli elementi della tavola periodica. "Assicurarsi che la scienza fosse corretta e portare a termine il tutto si è rivelato molto più difficile di quanto pensassi inizialmente."

Utilizzando i dati del National Institute of Standards and Technology, Linz e uno studente ricercatore hanno analizzato attentamente le linee spettrali che sono state osservate per ciascun elemento. "Non esiste un modo matematico per automatizzare questo processo", afferma Linz, sottolineando che alcuni elementi hanno centinaia di linee individuali che si fondono insieme. Ha dovuto sviluppare un algoritmo per determinare quali linee fossero importanti per creare un suono e quali no. Quindi, utilizzando un software di ingegneria audio, ha applicato metodi di elaborazione del segnale per creare suoni dalla somma matematica di ciascun insieme di linee.

Nel novembre 2022 Linz aveva finalmente completato la tavola periodica udibile. I suoi colleghi chimici volevano immediatamente sapere se qualcuno dei gruppi della tavola periodica – metalli, gas nobili, alcali – potesse essere identificato dai loro suoni. Tutti gli elementi, ad esempio, nel gruppo dei metalli di transizione condividono una particolare qualità tonale? "Abbiamo potuto vedere alcune correlazioni tra le forme d'onda di diversi elementi. Ma queste correlazioni non corrispondevano ad alcun raggruppamento della tavola periodica", afferma Linz. I gruppi della tavola periodica si basano sugli elettroni del guscio esterno e su come possono essere condivisi tra gli atomi per formare legami chimici. Le linee spettrali, invece, si basano sulle transizioni che gli elettroni compiono all'interno di un singolo atomo. "È logico che i gruppi della tavola periodica non mostrassero gli stessi modelli dei suoni creati dalle linee spettrali", afferma Linz.

Invece, Linz e i suoi colleghi stanno esplorando quali modelli appaiono raggruppando gli elementi in base a quanto suonano armoniosi. Uno schema che hanno scoperto finora è che gli elementi di massa inferiore, come carbonio, ossigeno e idrogeno, tendono ad avere toni dissonanti. Le linee spettrali di questi elementi luminosi sono spaziate lungo l'intero spettro. Al contrario, i metalli più pesanti come il piombo hanno toni più puri che tendono ad essere più acuti. Le linee spettrali di questi elementi sono molto più vicine tra loro, risultando in una forma d'onda che si avvicina a un'onda sinusoidale pulita. Ma c'è un'eccezione tra i metalli pesanti: il tallio è insolitamente dissonante. "Non appartiene. Questo è il tipo di modello anomalo che mi incuriosisce", dice Linz.