Synthesis and Analysis of Sounds Developed from the Bose-Einstein Condensate: Theory and Experimental Results

Abstract

Two seemingly incompatible worlds of quantum physics and acoustics have their meeting point in experiments with the Bose-Einstein Condensate. From the very beginning, the Quantum Music project was based on the idea of converting the acoustic phenomena of quantum physics that appear in experiments into the sound domain accessible to the human ear. Te frst part of this paper describes the experimental conditions in which these acoustic phenomena occur. Te second part of the paper describes the process of sound synthesis which was used to generate fnal sounds. Sound synthesis was based on the use of two types of basic data: theoretical formulas and the results of experiments with the Bose-Einstein condensate. Te process of sound synthesis based on theoretical equations was conducted following the principles of additive synthesis, realized using the Java Script and Max MSP software. The synthesis of sounds based on the results of experiments was done using the MatLab sofware. Te third part or the article deals with the acoustic analysis of the generated sounds, indicating some of the acoustic phenomena that have emerged. Also, we discuss the possible ways of using such sounds in the process of composing and performing contemporary music.

Мало је позната чињеница да постоји област квантне физике која се означава термином квантна акустика. Два, наизглед неспојива света – свет звука који је неодвојиви део наше физичке реалности, и свет квантних честица – спајају се у серији експеримената које је могуће спровести над материјом која се хлади на незамисливо ниске температуре,реда величине милијардитог дела једног келвина. Ова температура, која се званично сматра најнижом у целом универзуму, доводи атоме у специјално стање битисања, које носи назив Бозе-Ајнштајнов кондензат. Након освајања технологије потребне за обављање оваквихе ксперимената, дошло је до наглог развоја методологије за праћење најразличитијих својстава које материја у овако чудесном стању почиње да испољава, укључујући и могућност побуђивања механичких,тј. акустичких таласа. Основно исходиште пројекта Квантна музика управо је овај експеримент, чији резултати и математички модели који га описују омогућавају синтезу звука. Ова синтеза обављена је директном применом експерименталних резултата у софтверу MatLab, као и употребом математичких формула које описују вибрације кондензата у наменски дизајнираном адитивном синтисајзеру реализованом у МахМSP софтверском окружењу. Као резултат ове синтезе, формиране су банке звукова који су засновани на вибрацијама квантног система. Овако генерисани звуци испољавају веома интересантна акустичка својства, оличена пре свега у интензивној појави акустичког феномена избијања. Оваква ситуација доводи до појаве интересантних звучних ефеката који звуке, чији се спектрални садржај не мења у времену, преводе у временски променљиве звучне догађаје са изузетно занимљивим ритмичко-мелодијским структурама, које могу бити накнадно контролисане и употребљаване у процесу компоновања и извођења музике. Први део овог рада описује експерименталне услове у којима се ови акустички феномени испољавају. Други део рада описује процес синтезе звука коришћен за генерисањеаудиофајлова.Синтеза звука базирана је на употреби два основна типа података: теоријских формула и резултата експеримента са Бозе-Ајнштајновим кондензатом. Трећи део рада бави се акустичком анализом генерисаних звукова, уз указивање на некеакустичке феномене до чијег испољавања је дошло у процесу синтезе звука. Такође, дате су и основне смернице у вези са начинима употребе овако генерисаних звукова у процесу компоновања и извођења музике.