Как научные данные становятся музыкой
Вселенная полна звуков, хотя человеческое ухо не всегда способно их уловить. Пульсары мерно посылают сигналы из космоса, а глубоко под землёй происходят незаметные нам колебания. Российские исследователи научились переводить такие явления в музыкальные композиции. В необычном альбоме звучат не привычные инструменты, а процессы, происходящие в природе.
Геофизик Александр Буторин и музыка Земли
«Террапия» — интернет-радио, в эфире которого звучат композиции, собранные из сигналов земных недр. В их основе — колебания известняка, глины и нефти, зафиксированные на глубине около трёх километров. Спокойное лаундж-звучание можно включать фоном во время работы, занятий йогой или медитации: оно помогает расслабиться и сосредоточиться.
Материал для проекта предоставил научный центр «Газпром нефти». Геологи анализируют сейсмические волны, чтобы исследовать строение планеты — примерно так же, как врачи используют рентгеновские снимки. В частности, сейсморазведка помогает обнаруживать новые месторождения нефти и газа.
«Сейсмические исследования можно сравнить с рентгеном или УЗИ, только объектом изучения становится не человек, а Земля. Мы создаём на поверхности волны, наблюдаем за их движением и по полученным сведениям определяем, что скрывается под землёй».
Колебания регистрируют геофоны, размещённые на исследуемом участке. Эти приборы записывают движение сейсмических волн и позволяют измерить скорость их распространения.
«Мне хотелось показать студентам СПбГУ, которым я преподаю, как нейросети можно применять для творческой работы с научными данными. Мы взяли сейсмические записи с Еты-Пуровского месторождения на Ямале и преобразовали их в звуки с помощью простой программы на Python. Так появилась музыка земных недр».
Записи, полученные с геофонов, превращают в цифровые модели. Подобные данные используют и для создания трёхмерных карт подземных структур, помогающих нефтяникам находить месторождения. Каждая такая модель словно партитура, в которой отражена история планеты.
Инфохимик Павел Зун и мелодии микрокапель
«Микрооркестр левитирующих капель» — исследовательский проект, в котором химические процессы стали основой для своеобразного концерта. Учёные создали кластер из крошечных капель, зависших над тёплой водной поверхностью. Между собой они взаимодействуют с помощью коротких световых вспышек, а под влиянием разных факторов складываются в определённые структуры.
В перспективе подобные исследования могут привести к созданию компьютеров, использующих химические вычисления. В некоторых задачах они потенциально смогут превзойти кремниевые системы. Например, с их помощью можно будет оценивать вероятность возникновения циклона, определять активные вещества бактерий или прогнозировать скорость распространения вируса.
Капельные кластеры исследуют специалисты института X-BIO Тюменского государственного университета и петербургского университета ИТМО. Учёные из Тюмени сконструировали установку, позволяющую изучать это явление. В природе капли распределяются беспорядочно: так, частицы тумана движутся без определённой системы. В лабораторном приборе их расположение упорядочено, причём на него влияют параметры установки, включая температуру и угол наклона.
Инфохимик Павел Зун и его коллеги подробно описали, каким образом капли взаимодействуют друг с другом. В какой-то момент внутри частиц формируются супрамолекулярные кристаллы, которые начинают мерцать. Световые сигналы отражаются от соседних капель.
«Когда на кристаллы падает внешнее освещение, они отражают свет вспышками разной частоты. Она зависит от формы кристалла и вращения капли. Характер мерцания может содержать важные сведения о взаимодействии микрочастиц».
Наблюдать за «общением» капель может любой желающий: процесс сняли на камеру, а полученные кадры обработали нейросетью. Её обучили составлять карту того, как меняются вспышки в разных участках кластера. Каждой капле присвоили цвет и звук, соответствующие частоте и яркости её мерцания. Теперь у каждой частицы есть собственная «партитура», а исследователи могут управлять поведением кластера, меняя температуру нагрева воды. В результате возникает природная мелодия с джазовыми интонациями. В будущем такие исследования могут помочь создать новые технологии.
Инженер инноватики Александра Михайлова и музыка водорослей
«SOS: Sound of Survivor» — художественно-научный проект, посвящённый воздействию звука на микроводоросли. С помощью звуковых волн человек может взаимодействовать с древней формой жизни — водорослью Chlorella vulgaris.
Команда Acousmatic group из университета ИТМО разрабатывает для проекта биореактор, предназначенный для выращивания микроорганизмов. Прототип напоминает бассейн, оборудованный источником звуковых волн и датчиками движения. Если зритель проводит рукой над датчиком, мелодия меняется. Её вибрации насыщают воду углекислым газом, необходимым водорослям. На поверхности бассейна при этом возникают узоры, называемые волнами Фарадея.
Волны Фарадея появляются, когда жидкость подвергается вибрации. Звучащая над бассейном композиция напоминает белый шум и может служить своеобразным способом коммуникации с микроорганизмами.
Музыкальную структуру проекта создали инженеры инноватики Александра Михайлова и Екатерина Кулакова. Они настроили оборудование и вырастили микроорганизмы в лабораторных условиях. Консультировал исследовательниц биолог Алексей Видлер.
«Название выбрано осознанно. В нашем проекте SOS — не призыв о помощи и не сигнал опасности, а звук выжившей материи, отклик живого. Мы хотим исследовать не только научную сторону явления, но и возможность выстраивать диалог с природой».
«Проект показывает, как действия человека влияют на окружающий мир: каждый жест может что-то создать или разрушить. Когда посетитель проводит рукой над датчиками, поверхность чашки Петри начинает колебаться, а условия жизни микроорганизмов меняются. Так мы делаем слышимым акусматический звук — звук, источник которого не виден».
Микроводоросли способны существовать в самых разных условиях: их находят и в антарктических льдах, и в засушливых пустынях. Они переносят как сильный холод, так и высокую температуру, обитают на значительной части планеты, производят кислород и служат пищей для млекопитающих. Ультразвук может стимулировать их рост.
«Микроводоросли — ценный ресурс. Это настоящий суперфуд: доля белка в них может достигать 60–70 процентов, кроме того, они содержат аминокислоты и антиоксиданты. Их используют как источник активных веществ для фармацевтики и косметологии, в том числе при создании антибактериальных и противовирусных препаратов. Также из них можно получать сырьё для биотоплива. Поэтому людям важно понять, как выращивать больше таких микроорганизмов».
Морской геолог Дмитрий Борисов и музыка океана
«Геомеханика» — композиция, созданная с использованием сканера, предназначенного для исследования пород с морского дна. Прибор помогает восстанавливать историю Земли по слоям ила, вулканического пепла, обломкам горных пород и остаткам микроорганизмов — словно читая записи на старой пластинке.
Трек подготовил морской геолог Дмитрий Борисов. Сведением занимался музыкальный продюсер Тимур Гауф, работавший с Бастой и другими исполнителями.
«Сканер — важнейший инструмент в моей работе. Эта крупная автоматизированная система установлена в Институте океанологии. Она делает сотни тысяч снимков кернов — образцов геологических пород — и одновременно издаёт звуки. Работающий мотор напоминает волынку. Полученные изображения объединяются в один файл объёмом более гигабайта. Затем прибор проводит сотни измерений магнитной восприимчивости и цвета осадков, а также изучает их химический состав по всей длине керна. Процесс автоматизирован, оператору остаётся корректно настроить программу исследования».
Керны представляют собой образцы донных отложений, которые получают во время морских экспедиций. Чтобы добыть такой материал, исследователям нужно добраться до выбранного участка, опустить оборудование на глубину в несколько километров и поднять образец на поверхность. Затем его изучают в лаборатории.
«Одним из важных открытий для меня стало изучение особых донных осадков, появившихся под воздействием течений. Их называют контуритами, и именно они — главная тема моей работы. На океанском дне постоянно движутся течения, возникающие из-за разницы плотности воды. Они размывают породы и ил, переносят взвешенные частицы и создают слои контуритов. По составу и свойствам этих отложений можно узнать, в каком направлении и с какой скоростью перемещались древние океанические воды тысячи и миллионы лет назад».
В России морские научные экспедиции проводятся, в частности, в рамках научно-образовательного проекта «Плавучий университет». Ежегодно группы студентов и научных руководителей отправляются в море собирать материалы для исследований.
Их работа помогает узнавать больше о прошлом планеты и прогнозировать её будущее, оценивать вероятность природных катастроф, создавать климатические модели, искать полезные ископаемые и обнаруживать новые виды морских организмов. Эти знания нужны для решения как фундаментальных, так и практических задач в науках о Земле.
Астрофизик Николай Кардашев и музыка звёзд
«Радиоастрон» — космическая программа, участники которой более сорока лет исследовали звёзды и чёрные дыры. В завершение последнего исследовательского цикла российские учёные вместе с музыкантами создали оркестровую композицию, в которой звучат сигналы 26 пульсаров. Их записал спутник «Спектр-Р». Альбом стал своеобразной заключительной мелодией уникального научного аппарата.
«Спектр-Р» — российский космический телескоп, запущенный на орбиту для изучения Вселенной. Он позволял получать изображения с рекордной на тот момент чёткостью: семь микросекунд дуги при базе в 340 тысяч километров. В 2019 году связь со спутником прервалась, после чего программу завершили.
Пульсар — быстро вращающаяся нейтронная звезда, образовавшаяся после взрыва сверхновой. Она состоит преимущественно из нейтронов и может вращаться до сотни раз в секунду. При этом звезда испускает узкие потоки радиоволн, которые регулярно достигают Земли. Поэтому пульсары называют космическими маяками: их сигналы можно использовать как точный ориентир времени.
Одним из первых к открытию пульсаров пришёл астрофизик Николай Семёнович Кардашев (1932–2019). Ещё около шестидесяти лет назад он предположил, что компактный радиоисточник в Крабовидной туманности — это быстро вращающаяся нейтронная звезда с чрезвычайно сильным магнитным полем.
«Пульсары оказались удивительными объектами. Иногда вместо одной звезды мы наблюдаем множество — порой сотни светящихся точек. В действительности отдельных объектов там нет: такое впечатление создаёт аппаратура, расщепляющая сигнал. Это помеха, но её можно использовать для исследований, например, чтобы оценивать расстояние между объектами».
Исследование пульсаров помогает готовиться к разработке новых технологий и лучше понимать место человечества во Вселенной. Уже сегодня наблюдения за ними позволяют проверять фундаментальные законы физики, в том числе теорию относительности, изучать эволюцию звёзд и процессы образования тяжёлых элементов. В перспективе ритмичные сигналы пульсаров смогут стать ориентиром для навигации межпланетных аппаратов.