“聆听”科学的声音

　　撰文：罗恩·考恩（Ron Cowen） 

　　罗恩·考恩是美国马里兰州银泉市的一位科学作家。

　　翻译：王栋

　　与眼睛相比，耳朵在发觉模式的微弱变化上具有独特的能力，这对于研究在视觉化形式中不明显的现象很有帮助。目前，这一技术已被应用于探测隐秘的天文活动、区分正常细胞与癌细胞等多个领域中。

　　聆听太阳风“讲话”

　　太阳风是以每秒上百万公里的速度从太阳喷出并飞入宇宙空间的带电粒子流。2008年， 美国航空航天局（NASA）用“风”太阳探测器（WIND）测量了这些带电粒子在接近地球时产生的磁场。磁场是完全无声的，但其强度和方向却在不断变化。研究人员在研究这些数据的过程中，希望利用相关算法将这些变化转化为可以听到的声音。

　　将数据转化为声音并不是什么新想法。1908年发明的盖革计数器在探测到高能带电粒子时就会发出滴答的响声。上世纪80年代，美国艾奥瓦大学的物理学家唐纳德·A·格尼特也用发生在土星附近的“雹暴”之声吸引了大量听众——他用“旅行者”1号和2号飞船采集到的数据还原出了这两艘飞船在穿过土星环时因受到小冰块击打而乒乓作响的声音。

　　耳朵能检测出细微的模式，是因为哺乳动物听觉系统传递神经信号的速度要快于大脑的大多数部位。在听觉系统中，神经元拥有已知最大的神经突触，这种花朵形的神经突触能将声波“转化”为强烈的神经活动。相比之下，视觉通路则不具备这种高速的神经连接。

　　要让数据从无声变为有声，科学家们需要将X射线和γ射线或其他眼睛无法识别的信号中的扰动对应生成不同频率或强度的声音，并将其置于人类的听觉范围内。但科学家更需要弄清楚他们所听到的声音变化意味着什么。在一次对同一时期内不同仪器记录的太阳风数据进行研究时，研究人员注意到这些数据与已记录的磁场风声之间存在一种特殊关联。几乎每当声音文件中出现一次“呼呼”声，太阳风中的某种带电粒子（氦离子）的密度就会升高。研究人员认为这可能是绕磁场线回旋的入射离子流将它们的一部分能量传递给磁场从而造成磁场的摆动震荡。

　　这种相互作用揭示了能量在磁场和粒子之间来回传递的一种机制。同时，这项发现也提供了一些新的线索，有助于揭开太阳最深的秘密之一——为什么太阳外层大气的温度会比其沸腾的表面还要高数百倍。

　　聆听癌细胞的“噪音”

　　从太空回到地面，将数据变为声音具备更加实用的优势。英国科学家已经开始在活组织检查时利用声音化从健康细胞中区分癌细胞，特别是当病理学家需要尽快对病人做出诊断的时候。

　　目前采用的常规检测程序叫做拉曼光谱法。病理学家用红外线激光照射置于载玻片上的细胞，激光能量会造成细胞中的分子振动。不同分子的振动方式不同，而这种振动会改变从样品上散射回的光子的频率。样品散射光的色谱就像代表分子特征的“指纹”，因此癌细胞中的部分异常蛋白质分子留下的“指纹”会和正常蛋白质不同。然而这种区别在视觉上很细微，需要大量的时间和特殊的专业技能才能确定细胞是否健康。

　　研究人员先把数据声音化——他们主要研究了能体现癌变细胞和健康细胞区别的可见光光谱，然后把光谱转化成独特的声音。在测试中，300份声音文件被分配到了约150位临床医生手中，每份文件都对应一份各不相同的组织样本。研究人员也相信这种方法最终将会为外科医生在手术室中提供反馈，让其判断癌细胞是否已被移除干净。为了实现这一目标，必须得快速进行光谱分析并将分析结果转化为声音，从而传送进手术室。这意味着他们选择的声调、音高和音色不仅要保留原始声谱特性，还得让人听起来觉得悦耳。

　　听觉 VS 视觉

　　近期，一些热门研究也正体现着声音化方法的价值。例如一对双星系统剧烈喷发X射线的相关数据已被转化为声音并被录入一张唱片中。这个双星系统名为EX Hydrae，包括一颗白矮星（一种老年的高密度恒星）和一颗普通的低密度恒星，它们被强大引力束缚在一起。在这两颗恒星相互绕转的过程中，白矮星不断从同伴那里掠取物质，并向宇宙空间中喷射X射线，从而被NASA的钱德拉X射线天文台捕捉并记录。

　　天体物理学家使用一种开源计算机程序xSonify，将记录到的X射线能量波动转化成声音。在一些具有音乐知识的研究人员眼中，这些数据中的一部分就像音符——同古巴黑人音乐和巴萨诺瓦音乐中一种被称为“响棒”（clave）的节奏高度类似。

　　在此基础上，一位作曲家根据从X射线转化出的不同音符序列谱写出了巴萨诺瓦、赋格曲、华尔兹、布鲁斯、爵士民谣及其他一些曲风的X射线音乐。这张主要用钢琴、贝斯和鼓演奏的唱片被称为“水蛇座X射线之声”（X-ray Hydra）。

　　对研究人员而言，各领域的声音化数据中充满了短促的、具有细微差别的声响，仔细聆听这些来自科学的声音必将带来全新的发现。

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　　作者： 罗恩·考恩（Ron Cowen） [责任编辑: 阎冬]