ATOM MÜZİĞİ BESTELEMEK

“Öğrenciler Fiziğin Müzikle Bağlantısını Öğrendiklerinde Daha İyi Anlayabilirler”                                   
                                                        Jill Linz*                                                                                                                                                  

Audacity, GarageBand ve Logic gibi müzik sentezi programlarının popülaritesiyle, insanların kendi müziklerini bestelemeleri hiç bu kadar kolay olmamıştır. Sonuç olarak, birçok öğrenci şimdilerde akustik sinyal işleme konusunda temel bir anlayışla üniversiteye gelmekte ve fizik öğrenmek için ne kadar güçlü bir araç kullandıklarının farkında değillerdir. Hem fizik hem de müzik sentezi eğitmeni olarak hedeflerimden biri, öğrencilere şarkı üretmek için kullandıkları yöntemlerin atomları ve çeşitli doğa olaylarını anlamalarına yardımcı olabileceğini göstermek olmuştur.

Üniversite öğrencileri Atom Müzik adlı geliştirdiğim bir dizi öğrenme alıştırması sayesinde, atomik yapıyı müzik sentezi yoluyla keşfedebilirler. Nispeten basit bir yazılım kullanarak, atomik spektrumlarda görünen renkleri işitilebilir tonlarla ilişkilendirerek kendi "atom şarkılarını" yaratabilirler. Atomik spektrumlar ve müzikal yapı arasındaki bağlantılara bakarak öğrenciler, belirli bir atomun spektral ölçeğinden notaları belirleyebilir ve bu notaları o elemente özgü şarkılar oluşturmak için kullanabilir.

Spektral Senfoni

Belirli bir elementin atomları, o elemente özgü belirli frekanslarda titreşir. Gördüğümüz renk, gözümüze aynı anda giren tüm görünür dalga boylarının birleşimidir. Renk daha sonra, her spektral çizginin parlaklığının karşılık gelen bileşen dalga boyunun genliğini gösterdiği bir Fourier dönüşümü olarak ifade edilebilir. Çizgileri bir çeşit renk tarifi olarak düşünebiliriz: Dalga boyları bileşenlerdir ve genlikler miktarlardır.

Tıpkı herhangi bir atomun spektrumuyla tanımlanabilmesi gibi, herhangi bir ses de Fourier dönüşümü ile tanımlanabilir. Dönüşümler arasındaki farklılıklar, bir notanın, örneğin bir Fransız kornosu veya bir fagot tarafından üretildiğine dair algımızı belirleyen şeydir. Üretilen harmonikler benzer olsa da, her harmoniğin göreceli genlikleri enstrümandan enstrümana farklılık gösterir.

Atomların imza renklerini üretme biçimleri ile karmaşık sesli tonların oluşma biçimleri arasında yakın bir ilişki vardır. Örneğin oktav, iki duyulabilir sinüzoidin 2:1 frekans oranıyla birleştirilmesinden kaynaklanır. Bu, ilk olarak bu armoniklere dayanan müzikal ölçekli bir sistem düzenleyen Pythagoras tarafından gözlemlenmiştir (George Gibson ve Ian Johnston tarafından yazılan makaleye bakın, Physics Today, Ocak 2002, sayfa 42). Aynı harmonikler, hidrojenin klasik kutudaki parçacık tanımında da görülür.

İşitilebilir tonlar, atomik spektrumları tanımlayan aynı matematiksel ilişkilerden oluşturulduğundan, atomlar için müzikal bir ölçek oluşturabiliriz. Daha sonra, belirli bileşen frekanslarına karşılık gelen sesler üretmek için GarageBand gibi bir müzik sentezi programından yararlanabiliriz.

Başlamak için, yayılan fotonların frekans aralığını belirlememiz gerekir. Örneğin, aralığı görünür fotonlarınki ile sınırlamayı seçebiliriz. Karşılık gelen frekans ölçeği 4.3 × 1014 Hz (kırmızı) –7.5 × 1014 Hz (mavi) olur.

Standart yazılı müzik aslında zamana karşı frekansın yarı logaritmik bir grafiğidir. Standart müzik kadrosu, yaklaşık 700 Hz frekansa kadar en sık kullanılan notalara dayanmaktadır. Aşağıdaki ölçek, görünür spektrumu ve en sık kullanılan işitilebilir tonları üst üste getirir. İşitilebilir ölçek, 20 Hz'den (insanlar tarafından duyulabilen minimum frekans eşiği) 1046,5 Hz'ye (standart yazılı müziğin üzerindeki ilk C notası) kadar standart müzik kadrosunun biraz altına ve üstüne genişletilmiştir.

Görünür spektrumu işitilebilir frekans aralığına uyacak şekilde ayarlayarak atomik bir müzikal ölçek oluşturabiliriz (alt x ekseninde, Hz cinsinden gösterilir). Üç elementin spektrumları parlak çizgilerle gösterilir. Frekanslara karşılık gelen notlar üst x ekseninde görünür.

Spektral çizgilerin her biri, diğerleriyle birleştirildiğinde karmaşık tonlar oluşturabilen tek bir sinüzoidi temsil eder. Tıpkı piyanodaki tuşlarda olduğu gibi, bastığımız tuşlar ve onlara vurduğumuz tempo sayısız şarkı üretebilir. Atom şarkıları yaratmak için A5'dan B4 bilmenize gerek yok. Programlar, ton üretmek için yalnızca bir giriş frekansı gerektirir. Geleneksel müzik kuralları ortadan kalktı. Daha parlak çizgiler, ölçeğin baskın notaları olurken, daha küçük çizgiler karmaşıklık katar. Mevcut programların herhangi birinde her bir giriş frekansının genliğini ayarlamak kolaydır.

Atom Şarkılarını Sınıfa Getirmek

Üniversite öğrencilerine fiziğin evrenselliğini göstermenin bir yolu olarak öğretimde müzik sentezini kullanmaya başladım. Başlangıç ​​niteliğindeki müzikal akustik dersim, öncelikle bilim gereksinimlerini karşılayan ve aynı zamanda müzikle ilgilenen bilim dışı bölümlerden oluşmaktadır. Laboratuar etkinlikleri, öğrencilerin kendi atom ölçeklerini ve kursun sonuna doğru şarkıları oluşturmak için gerekli bilgi ve becerileri geliştirmeleri için düzenlenir.

Öğrenciler, belirli bir ses frekansı üretmek için bir sonometre üzerine bir köprü kurarlar. Kredi: Skidmore College

Bir laboratuar etkinliğinde, öğrenciler bir fonksiyon jeneratörüne bağlı bir hoparlör tarafından üretilen belirli dalga formlarını kaydederler. Kayıtları önce kulakla, ardından dalga biçimlerinden ve Fourier dönüşümlerinden görsel olarak analiz ederler. Daha sonra çeşitli spektrum gaz tüplerine bakıyoruz ve her bir element için üretilen spektral çizgileri gözlemliyoruz. Son olarak, bu spektral çizgileri kayıtlarda gördüğümüz ve ölçtüğümüz şeyle karşılaştırıyoruz.

Başka bir laboratuvar için öğrenciler, sesleri oluşturmak için bir piyano dizisi kullanan bir akustik rezonatör olan bir sonometre üzerindeki müzik ölçeklerini haritalandırıyorlar. Hareketli bir köprü, öğrencilerin ipin sonundan köprü konumuna olan mesafeyi ölçerek istedikleri herhangi bir frekansı üretmelerine olanak tanır. Enstrümana aşina olmak için öğrenciler önce standart bir ölçeği keşfederler, böylece istenen frekansları üretmek için köprünün nereye yerleştirileceğini belirleyebilirler. Bu bilgiyle öğrenciler, sonometreyi hem perdeler hem de bir ölçüm çubuğu ile etiketleyerek atomik ölçekleri haritalayabilirler.

Diğer popüler etkinlikler arasında, periyodik tablodaki element grupları arasındaki sesli benzerlik ve farklılıkları aramak ve moleküler bir "bant" oluşturmak için ayrı ayrı atom şarkılarını birleştirerek moleküllerin nasıl oluşturulduğunu keşfetmektir.

Öğrenci ve Öğretmen Kompozisyonları

Müzik sentezinde disiplinler arası ana dallar için üst düzey dersim, öğrencilerin yalnızca matematiksel ve fiziksel faktörlerden üretilen dakikalarca kompozisyonlar oluşturmasını gerektirir. Son görev, yalnızca granüler sentez kullanmalarını gerektirir. En basit haliyle, parçacıklı sentez, sesin minik parçalarını ya da taneciklerini - esasen ses miktarlarını - birbirine bağlayarak ses yaratır. Her bir tanecik milisaniye ölçeğinde bulunur, o kadar kısadır ki insan kulağı onu zar zor algılar.

Ses tanecikleri yaratmanın farklı yolları olsa da, bu özel ödev, öğrencilerin atomların işitsel bir görselleştirmesini oluşturmalarını gerektirir. Atomun her parçası, atomik özelliklerin kontrol edilebilmesi için ayrı ses kanallarında oluşturulur. Öğrenciler çekirdeği temsil eden bir çekirdek sesle başlar ve ardından onu düşük genlikli beyaz gürültü "bulutu" ile çevrelemektedir. Bulutun içine, enerji seviyeleri arasındaki geçişlerin neden olduğu foton emisyonlarını temsil eden mikro sesler yerleştirdiler. Ses emisyonları kısa ömürlüdür ve çoğu zaman genel sese, fotonların minik flaşlarına benzetilebilecek bir çatırtı tonu verir.

Birkaç öğrenci projesi profesyonel parçalarla sonuçlandı. Örneğin, "Seni Kurtarır (it saves you)" bir öğrenci projesi olarak başladı ve ticari bir albümde çıkan bir şarkıya dönüştü.

Parça_1 (It Saves You)

Yine sadece granüler sentez yöntemleri kullanılarak üretilen "Xenakis", müzik teknolojisi ve sinyal işleme alanındaki son tezin bir parçası olarak oluşturuldu. Proje, her biri farklı bir sentez tekniğini temsil eden beş kayıtla sonuçlandı. Derlemenin koreografisi yapıldı ve birkaç kez halka açık olarak yapıldı.

Son olarak, Atomville'de Adventures adlı bir projenin parçası olarak atom müziği kullandım. İş arkadaşlarım ve ben, küçük çocuklara, Harry Potter'dan sihirbazlık ve sihir hakkında öğrendikleri şekilde atom dünyası hakkında bilgi edinmeleri için ilham vermek istiyorduk: hikaye anlatarak hayali bir dünya yaratarak. O dünyanın bir parçası olarak atom karakterleri kendi müziklerini yaratır ve atomik kimliklerine özgü özelliklere sahiptir. Renkleri, müzik seçimleri ve çaldıkları enstrümanlar gibi spektrumlarını taklit eder.

Yazar, bir atom bandı oluşturmak için çeşitli elementlerin spektrumlarını birleştiriyor.

Atomlar istedikleri her tür müziği çalabilirler, ancak periyodik tabloya yerleştirilmeleri müzikal tercihlerini belirler. Tipik olarak metaller rock and roll'u tercih eder. Kısmi metalin türüne bağlı olarak yumuşak kayadan sert kayaya, ağır metale kadar değişir. Ağır öğeler, tüm yoğun bas nedeniyle elektronik dansı sevme eğilimindedir. Reaktif ametaller cazı tercih eder: Kendi vuruşlarına göre titreşirler ve başkalarıyla etkileşime girip bağlansalar da kendi başlarına parlamayı da severler. Asil gazlar yalnızdır ve sadece klasiktir.

Parca_2 (Saltwater)

Birkaç halka açık konuşmam sırasında canlı olarak icra edilen “Salt Water”, bir atom bandının çeşitli üyelerinin katkılarını içeren cazip bir ezgidir. Tamburlarda iki Hidrojenimiz var çünkü biri asla yeterli değil. Oksijen flüt çalıyor. Arkadaşı Sodium piyano çalmak istiyor ama yalnızca iki nota çalabiliyor ve aralarında yalnızca birkaç ton var. Bu yüzden Sodyum ritmi korurken melodi dizisini çalan arkadaşı Chlorine'i davet ediyor. Görünüşe göre tüm Boron'lar bas çalıyor. Ve herkes bilir, basçılar hemen hemen buldukları her gruba katılacaklar.

*Jill Linz, New York, Saratoga Springs'deki Skidmore Koleji'nde kıdemli Fizik eğitmenidir.

Kaynak: Physics Today 25 Jan 2019 in Careers & Education

Çeviri: HRY Akademik, 2020.