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StartseiteForschung aktuellEine US-Physikerin macht den Mikrokosmos hörbar05.02.2020

Der Klang der AtomeEine US-Physikerin macht den Mikrokosmos hörbar

Harte Messdaten, nüchterne Analysen, graue Theorie - Alltag für Physiker. Dennoch halten sie gern nach Analogien Ausschau, um Komplexes zu veranschaulichen. Eine US-Forscherin kam jetzt auf die Idee, die Quantennatur von Atomen in Töne zu übersetzen - und inspirierte damit Künstler zu Kompositionen.

Von Frank Grotelüschen

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Elementary Particles series. Interplay of abstract fractal forms on the subject of nuclear physics, science and graphic design. (Imago)
Das Frequenzspektrum von Atomen lässt sich hörbar machen. (Imago)
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Jill Linz ist Physikerin und unterrichtet am Skidmore College im US-Bundesstaat New York: "Mein Arbeitsgebiet ist die digitale Signalverarbeitung in der Musik. Und da suchte ich nach einem Weg, Musik-Studierenden die Physik dahinter nahezubringen." Als sie darüber nachdachte, wie sie ihrem Kurs am besten die Grundlagen der Akustik vermitteln kann, kam ihr ein ungewöhnlicher Gedanke: Warum nicht die Bausteine der Materie zurate ziehen – die Atome? Die nämlich sind laut Quantenphysik nicht nur als Teilchen anzusehen, als winzige Billardkugeln, sondern auch als Wellen. Wellen ähnlich wie Schall.

Licht- und Schallwellen gehorchen ähnlichen Regeln

"Eine Welle ist eine Welle ist eine Welle.", sagt Jill Linz. "Sie alle gehorchen denselben Gesetzen der Physik." Konkret schaute sich die Wissenschaftlerin die Spektren von Atomen an. Diese Spektren beschreiben, welche Farben ein Atom absorbiert, wenn man es mit Licht bestrahlt – was simpel gesagt davon abhängt, auf welchen Bahnen die Elektronen um den Atomkern kreisen. Das Wasserstoffatom etwa absorbiert die Farben Rot, Türkis und Violett, weil sein Elektron davon – vereinfacht gesagt – in eine höhere Umlaufbahn um den Atomkern gehoben wird. Wie aber lässt sich das in Klänge umwandeln?

"Dazu musste ich die Frequenzen übertragen – ähnlich, wie man es bei einer Landkarte macht. Bei einer Landkarte schrumpfen die vielen Kilometer, die zwischen zwei Städten liegen, zu wenigen Zentimetern. So ähnlich habe ich das mit den Frequenzen des Lichts auch gemacht."

Lichtfrequenzen maßstabsgetreu umgerechnet  

Die Frequenzen von Licht sind viel höher als die von Schall. Um sie hörbar zu machen, hat sie Jill Linz maßstabsgetreu heruntergerechnet. Das Resultat ist eine Art Wasserstoff-Tonleiter. Sie umfasst vier Töne, die die Spektralfarben rot, türkis sowie zwei Violett-Töne repräsentieren.

Dann ging Jill Linz einen Schritt weiter und formte aus dem Atomspektrum einen Klang: "Ich zog die Verbindung zur additiven Klangsynthese. Denn jeder Klang besteht aus der Summe seiner Obertöne. Er lässt sich gezielt aus diesen Obertönen zusammensetzen."

Per Computer bastelte die Physikerin Klänge, deren Obertonspektren exakt den optischen Spektren der Atome entsprechen - zunächst für Wasserstoff, dann auch für andere Elemente des Periodensystems. Die Daten dafür entnahm sie einer öffentlich zugänglichen Datenbank des Nationalen Instituts für Standards und Technologie (NIST) der USA, in der sämtliche Atomspektren verzeichnet sind. Das Ergebnis: Akustische Abbilder der Elemente Wasserstoff, Helium, Bor und Stickstoff.

Künstler komponieren Musik aus Klang der Atome

"Man hört deutliche Unterschiede. Mein Lieblingsklang ist Helium", sagt Jill Linz. Mittlerweile wurde das Konzept sogar schon von Künstlern aufgegriffen, die die Atom-Klänge in ihr Werk integriert haben. "Das ist ein junger Mann aus London, der elektronische Stücke komponiert und mit Tänzern zusammenarbeitet. Er nahm meine Klänge und kombinierte sie mit Sounds, die er aus den Daten eines Teleskops gewonnen hatte."

Und wie reagiert die Fachwelt auf die akustische Analogie? Überaus wohlwollend, meint Jill Linz: "Das ist wirklich lustig – fast allen, denen ich das vorspiele, gefällt das. Besonders positiv reagieren die Chemiker. Die finden es auch komisch, wenn ich die chemischen Elemente verschiedenen Musikstilen zuordne. Die Edelgase etwa mögen nur klassische Musik, nichts anderes. Dagegen stehen Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff auf Jazz, aber auch auf Rock und alles dazwischen. Das Ganze ist eben ein eher augenzwinkernder Umgang mit diesen Sachen."

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