专栏名称: 环球物理

环球物理，以物理学习为主题，以传播物理文化为己任。专业于物理，致力于物理！以激发学习者学习物理的兴趣为目标，分享物理的智慧，学会用物理思维去思考问题，为大家展现一个有趣，丰富多彩的，神奇的物理世界！

【物理与音乐】如果你很懂音乐，离量子物理就不远了

环球物理 · 公众号 · 物理 · 2017-03-22 23:10

正文

请到「今天看啥」查看全文

这是1496年一件意大利文艺复兴时期的雕刻拓本，上面表现了行星的所在公转轨道与音律

古希腊科学家毕达哥拉斯认为，太阳、月亮和行星都会发出它们自己的轨道共振，虽然人类无法听到。音律被认为和宇宙运行有着密切关系，不仅仅是一种东方思想，在西方同样源远流长。

而随着科学的发展，这种古老的思想似乎不再是旧日哲人们的一厢情愿。史蒂芬·亚历山大（Stephon Alexander）先生在他的一篇文章里，介绍了自己是如何从一位对宇宙学深有研究的音乐家布莱恩·伊诺（Brain Eno）那里受到启发，运用音乐的方法去研究量子物理学的。根据这篇文章的译文，我们为大家重新简编这段奇妙的经历，希望与大家分享音乐与自然规律的深层联系。

伊诺早期曾参与英国摇滚乐队 Rosy Music ，有趣的是，一位作曲家竟然会对相对论、时空感兴趣，他的作品也因此和宇宙有关系。

史蒂芬在伦敦帝国学院举办的年度量子引力（quantum gravity）鸡尾酒会上，认识了新朋友李·斯莫林（Lee Smolin），李当时住在城里，考虑在帝国理工找一份固定工作。他是圈量子引力理论（loop quantum gravity）奠基人之一。该理论与弦理论（string theory）一起，是当今将爱因斯坦提出的广义相对论与量子力学结合最成功的理论之一。弦理论主张宇宙内所有物质均由不断振动的“能量弦”为基本单位组成；而圈量子引力理论则认为，宇宙本身就像是一张无数的环圈织成的大网，网中每条环圈与弦理论中的弦大小一样。

弦理论主张宇宙内所有物质均由不断振动的“能量弦”为基本单位组成

李提供了自己在西肯辛顿区的公寓作为酒会的举办地点，这也让往年的司仪费伊·窦克尔（Fay Dowker）得以休息一下。费伊也是量子引力学领域的一位领军人物，她博士后师从霍金，学习虫洞和量子宇宙学，但毕业后主要从事因果集合论（causal set theory）的研究。在人们开怀畅饮，高谈阔论数小时后，费伊作为嘉宾上台发表关于因果集合论的演说，与往常一样，她的演讲深入浅出。

因果集合论为“弦”和“圈”以外的第三种理论。与圈量子引力理论类似，因果集合论也更加侧重于时空的结构本身，而非宇宙内的物质；与其不同的地方在于，因果集合论主张，时空是由离散却又有因果关联的结构组成。打个比方，如果远望沙滩，沙子的分布似乎很一致，但从近处观察我们却能清楚辨别一粒粒的沙子。就像沙子组成沙滩一样，因果集合论认为时空是由离散的，无数的粒状“小时空”组成。

当时，研究量子引力学的主力军要属弦理论的支持者，例如美籍学者凯洛格•斯特里（Kellogg Stelle）。他是史蒂芬的博士后导师之一，也是P膜（P-branes）领域领军先驱人物之一。在数学上，膜是一种二维延伸的物体——换言之，它占据了空间，而P膜则是高维度中类似的物体（在弦论与相关的超重力理论中，膜为一物理实体，将点粒子的概念推广至更高维度）。弦理论里边的弦可以全部落到P膜上。而在量子引力领域还有另一种研究途径，是克里斯•艾沙姆（Chris Isham）所主张的，他主要从事拓扑斯理论方面的研究，这种有点哲学意味的数学模型只能说“部分存在”。

史蒂芬不认为自己像这些大师一样充满天分，但也还是认为自己能为宇宙学贡献一份力量。不过这一切，都在他遇到比莱恩以后改变了。当费伊在客厅演讲的时候，史蒂芬注意到了和李一起来的一位朋友，他身着黑衣，有着一张结实的脸庞，嘴里镶着一颗金牙，每当说话时便能露出来，闪闪发光。他听得很专注，史蒂芬一度觉得他是个实力派俄罗斯学者。

演讲结束后，李和他的这位朋友一起邀请史蒂芬去后者位于诺丁山门的录音棚。史蒂芬很快意识到，这位金牙哥可不是一般的物理学家，他跟李谈话的内容令人十分着迷。起初，他们讨论着时空的结构，以及爱因斯坦提出的相对论。可随后，他们开始聊起波的数学，也不知怎么地，总能扯到音乐。史蒂芬对金牙哥的兴趣越来越浓厚。

这位金牙哥，就是布莱恩•伊诺。到达目的地后，他们交换了联系方式，伊诺大方地把一辆自行车无限期借给史蒂芬。史蒂芬后来把他的经历分享给一位玩音乐的好友，他是个出色的贝斯手，同时也精通乌德琴。他被史蒂芬的无知给震惊到了：“傻瓜，你遇到的可是大师级的人物啊。

年轻时的布莱恩·伊诺

原来，布莱恩·伊诺是位勇于创新的音乐人，曾参加英国摇滚乐队Roxy Music。他积极响应艺术摇滚和华丽摇滚运动，将古典和前卫的风格与摇滚相结合。每当演出时，他总穿着个性张扬的衣服，梳着时髦的发型，浓妆艳抹，就像卢·里德、伊基·波普和大卫·鲍伊那样。他在乐队里演奏合成器，编写出美妙的音符。现在的合成器只需要按键就能发声，早期的合成器则需要手动调试，这正是其魅力所在。Roxy Music很快扬名世界，而伊诺却选择急流勇退。在单飞后，他的事业继续蒸蒸日上，与诸如U2、传声头像（Talking Heads）、保罗·西蒙、大卫·鲍伊和酷玩乐队等均有合作。除此之外，他还为雅马哈DX7合成器编写程序。

当时，像布莱恩这样的音乐家，怎么会对时空和相对论感兴趣呢？随着对他了解的深入，史蒂芬发现他绝非闲来消遣。布莱恩完全可以被称为“音乐宇宙学家”。因为他研究宇宙结构不是受到音乐的启发，而是运用音乐来研究。

有一天，伊诺给史蒂芬解释了他的专辑——《氛围音乐1：机场音乐》（Ambient 1: Music for Airports）封面文字的含义：“氛围音乐一定要满足聆听者不同的专注度，既能使人驻足欣赏，又要可以被随时屏蔽掉。”正如氛围音乐其名，伊诺寻找的是一种氛围，而非需要高度专注的音乐本身。而要达到这种随意自然的效果却是千难万难，所以他经常埋头苦心钻研各种声音。

那天早晨，布莱恩正用电脑操控不同的波形，好像他能和声波交流一般。而最令史蒂芬吃惊的是，他在用振动 —— 这或许是宇宙内最基本的概念 —— 来创作音乐。对于量子物理学家来说，粒子在不断振动；对量子宇宙学家来说，弦等基本实体的振动或许就是人类了解宇宙的关键。很不幸，量子级别的弦振动对人们来说是那么难以捉摸，但它又真实发生在史蒂芬面前 —— 听起来就像抓得住的振动。这让史蒂芬开始思考自己的研究，以及罗伯特 · 布兰登堡（ Robert Brandenberger ）抛给他的问题 —— 宇宙内的结构是如何构成的？

声音通过物体振动产生声波，通过介质传播。不同声音造成不同振动，从而产生不同压力波。我们可以用波形把波记录下来。从物理的角度讲，每一段波都有波长、振幅；对声波来说，波长决定音调高低，振幅决定音量大小。

如果某件事物可以被测量，比如波长、振幅，那么我们就能赋予它数值；如果某件事物可以被赋予数值，那么我们就能把它们联系起来，就像加数字那么简单。这正是布莱恩在做的事情，将不同的简单波加到一起，合成更有意思的复杂声音。

对物理学家来说，波的组合被称为傅里叶转换①，概念非常直观，往池塘里扔石头就能模拟。如果有人往池塘里扔了块石头，那么落水点就会发出一串串频率恒定的环形波浪；如果那人在附近再扔一块石头的话，另一圈环形波浪也会随即形成，两种波浪会相互干扰，形成更复杂的波。而最惊奇的地方在于，不论多么复杂的波，都可以被最简单的波所组合形成，这种简单的“纯波”会周期性地重复。

振动，成了连接布莱恩 · 伊诺和我的纽带。史蒂芬开始用混合声音的视角来审视傅里叶变换，希望以此获得启发。数月以来，这种跨学科的交流成了史蒂芬的肾上腺素。音乐不再是灵感的源泉，不再是换换脑子放松的工具，而是成为史蒂芬研究不可分割的一部分。史蒂芬沉醉于破解振动的秘密，这成为他心目中的罗塞塔石碑。

音乐家了解波是如何产生声音，进而产生音乐的，伊诺对此很在行；可人类尚不了解早期宇宙中的量子行为的振动奥秘，以及它如何创造出宏观尺度的结构。波和振动提供了共同的思路，但如何将它们联系起来，去探究宇宙的结构，甚至人类，是如何形成的，这就是一个挑战了。

布莱恩着手参与许多音乐项目，其中一个便是“生成性音乐”（generative music）。早在1994年他便在录音棚将此公之于众，同时也发布了一款相关的软件。十几年后生成性音乐老树开新花，近期的成果类似于听觉版莫列波纹②。莫列波纹是在栅栏状条纹重叠下所产生的干涉影像，变换无穷，上文提到往池塘扔石头的比喻就是个例子。与扔石头不一样的地方是，生成性音乐依赖于两种速度不同的节拍。两种简单的节拍相互交融，形成既悦耳又复杂的声音，高深莫测，连绵不绝。用布莱恩的话说就是，“事先设定好各种指标和规则，以此生成音乐……从未有人听过的天籁之音”。他在1975年第一次将莫列波纹运用到专辑《轻声细语》（Discreet Music）。而后，莫列波纹一直是他创作氛围音乐的重要组成部分，代表作有2012年发表的专辑《勒克斯》（Lux）。音乐变得不可控，不重复，不可预知，与古典乐截然不同。问题变成了你输入的变量——节奏有多快以及想要什么音效。

史蒂芬感到在他面前展开了一幅画卷，起初虚无一物，后来却演变为现如今这般复杂的宇宙，宇宙初期的物理和布莱恩的生成性音乐紧紧相连。一天早晨，见面时布赖恩正和波形玩得不亦乐乎，他笑着对史蒂芬说：“看到了吗，史蒂芬，我正试图创造出一个能产生出整首曲子的简单系统。”

史蒂芬豁然开朗，从此开始认真思考一种理论：婴儿宇宙并非没有特征，原有的辐射能量像声波那样产生共鸣，就像布莱恩的 FM 合成器一样。以此看来，我们的宇宙就像是终极版生成性音乐，能量场在时空背景中振动，产生我们宇宙的第一个结构，而后产生第一颗星星，最终产生今天的人类。