大約3年前，作曲家羅伯特•L•亞歷山大(Robert L. Alexander)靜靜聆聽(tīng)一個(gè)聲音文件。這是一種微弱的拍動(dòng)聲，像是遠(yuǎn)處大風(fēng)中飄揚(yáng)的旗子。要是換作大多數(shù)人，肯定早就聽(tīng)睡著了。不過(guò)，亞歷山大一直耐心地聽(tīng)了45分鐘后，拍動(dòng)聲終于停止了，取而代之的是仿佛狂風(fēng)咆哮著吹過(guò)森林的聲音。

    實(shí)際上，這種聲音的來(lái)源還真是一種類似風(fēng)的東西：太陽(yáng)風(fēng)——以每秒上百萬(wàn)噸的速率從太陽(yáng)噴出，進(jìn)而飛入宇宙空間的大量帶電粒子。2008年， 美國(guó)航空航天局(NASA)的“風(fēng)”太陽(yáng)探測(cè)器(WIND)測(cè)量了這些帶電粒子在接近地球時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。雖然磁場(chǎng)是完全無(wú)聲的，但它的強(qiáng)度和方向卻在不斷變化。同時(shí)作為美國(guó)密歇根大學(xué)研究生的亞歷山大，正在研究這些數(shù)據(jù)。他利用自己設(shè)計(jì)的算法，將這些變化轉(zhuǎn)化為可以聽(tīng)到的聲音。

    “聽(tīng)”比“看”更快

    剛步入而立之年的亞歷山大，是一個(gè)致力于聲音化科學(xué)的研究團(tuán)體中的一員。他們的目標(biāo)，是將通常以視覺(jué)或數(shù)字形式表現(xiàn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為聲音。與眼睛相比，耳朵在發(fā)覺(jué)模式的微弱變化上具有獨(dú)特的能力，這對(duì)于研究在視覺(jué)化形式中不明顯的現(xiàn)象很有幫助。目前，這一技術(shù)已被用于探測(cè)隱秘的天文活動(dòng)，以及用來(lái)區(qū)分正常細(xì)胞與癌細(xì)胞。

    英國(guó)牛津大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家安德魯•金(Andrew King)介紹說(shuō)，我們的耳朵“能在幾毫秒內(nèi)迅速感知聲音中的變化”。相比之下，眼睛對(duì)閃光的分辨能力最多只能達(dá)到每秒50~60次。而且，眼睛無(wú)法分辨光的閃爍頻率是每秒30次還是60次，但耳朵就能輕易區(qū)分聲源的振動(dòng)頻率為每秒30次還是60次。

    除了太陽(yáng)活動(dòng)和癌癥研究外，聲音化還被用于研究火山噴發(fā)，以及分辨與宇宙微波背景輻射(宇宙大爆炸的殘留輻射)相關(guān)粒子的變化模式。不過(guò)，還有許多研究人員仍未了解這種方法的威力。“在我看來(lái)，這是一種還有待開(kāi)發(fā)的研究工具，”NASA戈達(dá)德太空航天飛行中心的空間科學(xué)家阿龍•羅伯茨(Aaron Roberts)說(shuō)。

    將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為聲音并不是什么新想法。1908年發(fā)明的蓋革計(jì)數(shù)器，就會(huì)在探測(cè)到高能帶電粒子時(shí)發(fā)出滴答的響聲。另外，上世紀(jì)80年代，美國(guó)艾奧瓦大學(xué)的物理學(xué)家唐納德•A•格尼特(Donald A. Gurnett)，也用發(fā)生在土星附近的“雹暴”之聲吸引了大量聽(tīng)眾——他用“旅行者”1號(hào)和2號(hào)飛船采集到的數(shù)據(jù)，還原出了這兩艘飛船在穿過(guò)土星環(huán)時(shí)受到小冰塊擊打而乒乓作響的聲音。

    聽(tīng)懂比聽(tīng)到更關(guān)鍵

    要讓數(shù)據(jù)從無(wú)聲變?yōu)橛新暎�科學(xué)家們需將X射線和γ射線，或其他眼睛無(wú)法識(shí)別的信號(hào)中的擾動(dòng)，對(duì)應(yīng)生成不同頻率或強(qiáng)度的聲音，并將它們置于人類的聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)。

    問(wèn)題的關(guān)鍵是，科學(xué)家需要弄清楚，他們所聽(tīng)到的聲音變化意味著什么?2012年那天，當(dāng)亞歷山大聽(tīng)到那陣“呼呼”的風(fēng)聲時(shí)，完全搞不懂它們代表著什么?就連為亞歷山大提供原始數(shù)據(jù)的、戈達(dá)德太空飛行中心的空間物理學(xué)家羅伯特•T•維克斯(Robert T.Wicks)也毫無(wú)頭緒。

    不過(guò)，當(dāng)維克斯開(kāi)始詳細(xì)研究同一時(shí)期內(nèi)其他儀器記錄的太陽(yáng)風(fēng)數(shù)據(jù)時(shí)，他注意到這些數(shù)據(jù)與亞歷山大記錄到的風(fēng)聲之間存在一種特殊關(guān)聯(lián)。幾乎每當(dāng)亞歷山大的聲音文件中出現(xiàn)一次“呼呼”聲，維克斯就能發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)中的某種帶電粒子(氦離子)的密度升高。這種相互作用揭示了能量在磁場(chǎng)和粒子之間來(lái)回傳遞的一種機(jī)制。反過(guò)來(lái)，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)也提供了新的線索，從而揭開(kāi)太陽(yáng)最深的秘密之一——為什么太陽(yáng)外層大氣的溫度，會(huì)比其沸騰的表面還要高數(shù)百倍。

    用維克斯的話講，這個(gè)聲音文件之所以能成為“一個(gè)重要啟示”，這要部分歸功于聲音壓縮信息的能力。一年時(shí)間里采集的數(shù)據(jù)，若用眼睛分析的話要花上好幾個(gè)月，現(xiàn)在卻只相當(dāng)于播放2個(gè)小時(shí)的聲音。

    “僅僅通過(guò)‘聆聽(tīng)’數(shù)據(jù)，就能以比其他任何數(shù)學(xué)方法都高的精度來(lái)確定(信號(hào)的)周期，”蘭迪介紹說(shuō)。這一結(jié)果啟發(fā)了他利用聲音去探索太陽(yáng)的更多特性。雖然通常認(rèn)為，太陽(yáng)活動(dòng)在旺盛與平靜之間來(lái)回往復(fù)的周期為11年，但也有一些科學(xué)家提出，該周期有時(shí)會(huì)長(zhǎng)些，可以是19~20年。“我們希望利用聽(tīng)覺(jué)分析來(lái)研究這個(gè)‘延長(zhǎng)的周期’，以及它同普通的11年太陽(yáng)周期之間的關(guān)聯(lián)。”蘭迪說(shuō)。

    聽(tīng)細(xì)胞比聽(tīng)太陽(yáng)更實(shí)用

    從太空回到地面，將數(shù)據(jù)變?yōu)槁曇粢簿邆涓�加�?shí)用的優(yōu)勢(shì)。英國(guó)科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始利用聲音化，在活組織檢查時(shí)，從健康細(xì)胞中區(qū)分癌細(xì)胞，特別是當(dāng)病理學(xué)家需要盡快對(duì)病人做出診斷時(shí)。

    目前采用的常規(guī)檢測(cè)程序叫做拉曼光譜法。病理學(xué)家用紅外線激光照射置于載玻片上的細(xì)胞，激光能量會(huì)造成細(xì)胞中的分子振動(dòng)。不同的分子振動(dòng)方式也不同，而這種振動(dòng)會(huì)改變從樣品上散射回的光子的頻率。樣品散射光的色譜就像代表分子特征的“指紋”，因此癌細(xì)胞中，部分異常蛋白質(zhì)分子留下的“指紋”會(huì)和正常蛋白質(zhì)不同。然而在視覺(jué)上，這種區(qū)別很細(xì)微，需要大量的時(shí)間和特殊的專業(yè)技能來(lái)確定細(xì)胞是否健康。

    “我們?cè)噲D加快診斷過(guò)程。”英國(guó)伯明翰城市大學(xué)的音樂(lè)家和數(shù)字媒體專家瑞安•斯特布爾斯(Ryan Stables)說(shuō)。在和一位同事——英國(guó)中央蘭開(kāi)夏大學(xué)的分析化學(xué)家格雷姆•克萊門斯(Graeme Clemens)討論后，他們想到了一個(gè)主意：用聲音化的方法替代目前的可視化技術(shù)來(lái)鑒定癌細(xì)胞。

    斯特布爾斯同合作伙伴、物理學(xué)家和音樂(lè)家多梅尼科•維奇南扎(Domenico Vicinanza)合作，先把數(shù)據(jù)聲音化——他們主要研究了能體現(xiàn)癌變細(xì)胞和健康細(xì)胞區(qū)別的可見(jiàn)光光譜，然后把光譜轉(zhuǎn)化成獨(dú)特的聲音。斯特布爾斯說(shuō)通過(guò)聲音辨識(shí)這種區(qū)別的能力之強(qiáng)，出乎他的意料。

    在他進(jìn)行的測(cè)試中，300份聲音文件被分配到了約150位臨床醫(yī)生手中，每份文件都對(duì)應(yīng)于一份各不相同的組織樣本。據(jù)斯特布爾斯說(shuō)，在90%的情況下，臨床醫(yī)生都能正確區(qū)分不同的樣品。斯特布爾斯說(shuō)，他的研究組打算在一年內(nèi)，在各個(gè)診所測(cè)試聲譜檢測(cè)癌癥的方法。

    斯特布爾斯相信，這種方法最終會(huì)用在手術(shù)室中，迅速為外科醫(yī)生提供反饋，告訴他們癌細(xì)胞是否已被移除干凈。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，光譜分析必須快速進(jìn)行，然后將分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為聲音，傳送進(jìn)手術(shù)室。

    “但要生成不至于令醫(yī)生分心的信號(hào)，同時(shí)還要保證數(shù)據(jù)質(zhì)量以區(qū)分不同的組織或細(xì)胞，在這兩點(diǎn)之間尋找平衡是非常困難的。”不過(guò)，他在臨床醫(yī)生那里進(jìn)行的測(cè)試表明，聲音化方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了不錯(cuò)的平衡。

    雖然與視覺(jué)顯示相比，聲音化具有更多的優(yōu)勢(shì)，但在聲音專家面前，仍有一個(gè)看似簡(jiǎn)單卻十分重要的障礙：如何鼓勵(lì)研究人員嘗試使用這種新方法來(lái)研究數(shù)據(jù)。

    從小學(xué)開(kāi)始，圍繞著我們的就是像柱狀圖和餅圖這樣的視覺(jué)表現(xiàn)形式，當(dāng)有些人最終成為科學(xué)家后，他們對(duì)這些圖形圖像的用途及其內(nèi)在邏輯更為熟悉，已經(jīng)具備了自然而然的感知能力;而當(dāng)?shù)谝淮伟聪?lsquo;播放’鍵開(kāi)始聆聽(tīng)數(shù)據(jù)時(shí)，他們對(duì)此完全沒(méi)有直觀的認(rèn)知和感覺(jué)。所以，和大多數(shù)新技術(shù)一樣，化視為聽(tīng)，不僅是個(gè)技術(shù)過(guò)程。

  Starting from elementary school, around us is like a visual representation of histograms and pie charts. When some people eventually become scientists, they are more familiar with the use of these graphic images and their inner logicand have a natural perception ability, and when the first press of the 'play' button to start listening to the data, they have no intuitive understanding and feel. So, as with most new technologies, it is not only a technical process.

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    將物理難題化為樂(lè)譜

    近期一些熱門研究也正在體現(xiàn)聲音化方法的價(jià)值。

例如，一對(duì)雙星系統(tǒng)劇烈噴發(fā)X射線的相關(guān)數(shù)據(jù)，已被轉(zhuǎn)化為聲音，錄入了一張唱片，播放出的聲音具有類似古巴黑人音樂(lè)的節(jié)奏，可以從iTunes上下載。這個(gè)雙星系統(tǒng)名為EX Hydrae，包括一顆白矮星和一顆普通的低密度恒星，它們被強(qiáng)大引力束縛在一起。在這兩顆恒星相互繞轉(zhuǎn)的過(guò)程中，白矮星不斷從同伴那里掠取物質(zhì)，并向宇宙空間噴射X射線，從而被NASA的錢德拉X射線天文臺(tái)捕捉記錄。

    盲人天體物理學(xué)家萬(wàn)達(dá)•迪亞茲•梅塞德(Wanda Diaz-Merced)使用一種開(kāi)源計(jì)算機(jī)程序xSonify，將記錄到的X射線能量波動(dòng)轉(zhuǎn)化成聲音。在他的一些具有音樂(lè)背景的同事眼里，這些數(shù)據(jù)中的一部分就像音符一樣——同古巴黑人音樂(lè)和巴薩諾瓦音樂(lè)中被稱為“響棒”(clave)的節(jié)奏高度類似。

    在此基礎(chǔ)上，一位科學(xué)家的表親、德國(guó)作曲家福爾克馬爾•施圖德托卡編寫了一些曲子。根據(jù)從X射線轉(zhuǎn)化出的不同音符序列，他譜寫出了巴薩諾瓦、賦格曲、華爾茲、布魯斯、爵士民謠以及其他一些曲風(fēng)的X射線音樂(lè)。這張主要用鋼琴、貝斯和鼓演奏的唱片，被稱為“水蛇座X射線之聲”(X-rayHydra)。

    這一系列作品在天文學(xué)和其他科學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)十分流行了。在亞歷山大聽(tīng)來(lái)，它們都是優(yōu)美的旋律：“僅僅是將已有的數(shù)據(jù)變?yōu)槁曇�，并讓更多的人使用這個(gè)方法，就已經(jīng)解決了一部分難題。”他認(rèn)為，聆聽(tīng)科學(xué)的聲音將會(huì)帶來(lái)全新的發(fā)現(xiàn)。這類聲音化的數(shù)據(jù)中“充滿了短促的、具有細(xì)微差別的聲響，個(gè)個(gè)都是急切地等待著解決的物理難題。”