互动科普

我们的耳朵具有极为出色的辨别声音模式的能力，据此发展起来的数据声音化技术，能帮助科学家们检测癌细胞，并探测来自太空的粒子。

不过，亚历山大一直保持着清醒。在耐心地听了45分钟后，拍动声终于停止了，取而代之的是仿佛狂风咆哮着吹过森林的声音。他回忆道，自己“从未听过那么大的风声”。

实际上，这种声音的来源还真是一种类似风的东西：太阳风——以每秒上百万吨的速率从太阳喷出，进而飞入宇宙空间的大量带电粒子。2008年， 美国航空航天局（NASA）的“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。虽然磁场是完全无声的，但它的强度和方向却在不断变化。亚历山大同时还是美国密歇根大学研究生，正在研究这些数据。他利用自己设计的算法，来将这些变化转化为可以听到的声音。

这项工作不仅是个人爱好。刚刚步入而立之年的亚历山大，是一个不断壮大的、致力于声音化科学的研究团体中的一员。他们的目标，是将通常以视觉或数字形式表现的数据转化为声音。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，这一技术已被用于探测隐秘的天文活动，以及用来区分正常细胞与癌细胞。

英国牛津大学的神经科学家安德鲁·金（Andrew King）介绍说，我们的耳朵“能在几毫秒内迅速感知声音中的变化”。相比之下，眼睛对闪光的分辨能力最多只能达到每秒50~60次。除了太阳活动和癌症研究外，声音化还被用于研究火山喷发，以及分辨与宇宙微波背景辐射（宇宙大爆炸的残留辐射）相关的粒子的变化模式。不过，还有许多研究人员仍未了解这种方法的威力。“在我看来，这是一种还有待开发的研究工具，”NASA戈达德太空航天飞行中心的空间科学家阿龙·罗伯茨（Aaron Roberts）说。

聆听太阳风“讲话”

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，就会在探测到高能带电粒子时发出滴答的响声。另外，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（Donald A. Gurnett），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受到小冰块击打而乒乓作响的声音。

瑞士苏黎世神经科学中心的贝沙拉·萨阿卜（Bechara Saab）提出，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。在这一过程中，该突触能以每秒800次的速度释放神经递质——大脑中的“神经信号”。相比之下，视觉通路则不具备这种高速的神经连接。萨博解释道：“总之，这些构造上的区别意味着，那些对眼睛来说‘不可见’的信号，对耳朵来说却很容易识别。”

要让数据从无声变为有声，科学家们需将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，并将它们置于人类的听觉范围内。

问题的关键是，科学家需要弄清楚，他们所听到的声音变化意味着什么。2012年那天，当亚历山大听到那阵“呼呼”的风声时，他完全搞不懂它们代表着什么。就连为亚历山大提供原始数据的、戈达德太空飞行中心的空间物理学家罗伯特·T·威克斯（Robert T. Wicks）也毫无头绪。

不过，当维克斯开始详细研究同一时期内其他仪器记录的太阳风数据时，他注意到这些数据与亚历山大记录到的风声之间存在一种特殊关联。几乎每当亚历山大的声音文件中出现一次“呼呼”声，维克斯就能发现太阳风中的某种带电粒子（氦离子）的密度升高。一种可能的解释是，绕磁场线回旋的入射离子流会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。反过来，这项发现也能为我们提供新的线索，从而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。

用维克斯的话讲，这个声音文件之所以能成为“一个重要启示”，这要部分归功于声音压缩信息的能力。“风”太阳探测器对太阳风磁场的检测频率为每秒11次，但使用与CD相当的采样率，能将44 100次检测数据压缩进1秒钟的声音中，并使其处于人耳的听觉范围内。一年时间里采集的数据，若用眼睛分析的话要花上好几个月，现在却只相当于播放2个小时的声音。

这些声音中的细微变化，让科学家意识到了太阳风的一个重要特性。两年前，亚历山大使用NASA另一个探测器——“高新化学组成探测器”（Advanced Composition Explorer）采集的太阳磁粒子流测量数据，生成了另一份声音文件。他将代表太阳风中两种碳离子（分别失去了6个电子中的4个，和失去了全部6个电子的碳离子）相对丰度的信号，转化成了可听到的声音。当聆听这个声音文件时，亚历山大辨识出了一种嗡嗡声，位于频率137.5赫兹处。

这种嗡嗡声表明，这两种碳离子数量的相对比值在随时间波动。对应于不同离子的声音时不时地互相干涉，或者用更偏音乐些的术语来说，它们就像在“谱写和声”。

“我仔细研究了那些数据，通过聆听二三十种参数，最后发现，只要有碳，就有很强的和声出现，”亚历山大回忆道。“如果我‘听到’的真的代表着碳离子，而其他人还没有注意到这点，我想，这或许值得仔细研究一下。”

嗡嗡声的频率提供了更进一步的线索：在太空探测器采集的原始数据中，这一频率的周期对应的时间间隔是近27天，正好是太阳的自转周期。

亚历山大将自己的发现介绍给了密歇根大学的空间物理学家恩里科·兰迪（Enrico Landi）。后者意识到，这两种碳离子的比例，与太阳生成的两类太阳风会同步改变。其中一类为高速太阳风，从太阳外层大气（或称为日冕）中较暗、温度较低的区域（称为冕洞）中生成。那里的磁场线分布得不是很紧密，所以粒子能较快地逃脱出去。另一类较慢的太阳风来自温度更高的区域，那里的磁场密度更高。

与温度较低的区域相比，温度更高的区域具有更大的能量，所以失去全部电子的碳原子数量也就更多。2012年，兰迪、亚历山大和同事在《天体物理学杂志》（Astrophysical Journal）上发表了一篇论文，提出碳离子的不同是区分两类太阳风的最好方式。他们声称，这种方法可以取代现有的以氧离子比例为参照量的标准判断方式。对于袭向地球的太阳风，针对其不同类别分别进行预警十分重要，因为两类太阳风不仅造成的空间天气不同，它们的磁特性还会以不同的方式干扰卫星通信。

“仅仅通过‘聆听’数据，就能以比其他任何数学方法都高的精度来确定（信号的）周期，”兰迪介绍说。这一结果启发了他利用声音去探索太阳的更多特性。虽然通常认为，太阳活动（包括黑子、耀斑和其他喷发活动）在旺盛与平静之间来回往复的周期为11年，但也有一些科学家提出，该周期有时会长些，可以是19~20年。“我们希望利用听觉分析来研究这个‘延长的周期’，以及它同普通的11年太阳周期之间的关联，”兰迪说。

癌细胞的“噪音”

从太空回到地面，在更加实用的方面，将数据变为声音也具备一定优势。英国科学家已经开始利用声音化，在活组织检查时，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时。

“在英国的医疗卫生系统中，从病人身上采集活组织样本，送到实验室，进行分析，再将结果发回，是一个漫长的过程，”英国伯明翰城市大学的音乐家和数字媒体专家瑞安·斯特布尔斯（Ryan Stables）说。在和一位同事——英国中央兰开夏大学的分析化学家格雷姆·克莱门斯（Graeme Clemens）讨论后，斯特布尔斯想到了一个主意：用声音化的方法替代目前的可视化技术来鉴定癌细胞。

“我们试图加快诊断过程，只要有数据，无论是在病人家里还是在普通的医疗诊所，很快就能确定细胞是否癌变，”斯特布尔斯说。

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。不同的分子振动方式也不同，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，部分异常蛋白质分子留下的“指纹”会和正常蛋白质不同。然而在视觉上，这种区别很细微，需要大量的时间和特殊的专业技能来确定细胞是否健康。

显然，探测细微的变化是听觉的专长。“人类的耳朵天生适于发现模式和规律，而且它们的识别能力要比眼睛强许多，”斯特布尔斯的合作伙伴、供职于DANTE（一家位于英国剑桥的、为研究和教育产业构建并运行、管理高速互联网络的欧洲企业集团）的物理学家和音乐家多梅尼科·维奇南扎（Domenico Vicinanza）说。他举例道，眼睛无法分辨光的闪烁频率是每秒30次还是60次，但耳朵就能轻易区分声源的振动频率为每秒30次还是60次。

斯特布尔斯同维奇南萨合作，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。斯特布尔斯说，虽然可以预想，健康和癌变的细胞在声音化的声谱中表现会有所不同，但通过声音辨识这种区别的能力之强，还是出乎他的意料。

在他进行的测试中，300份声音文件被分配到了约150位临床医生手中，每份文件都对应于一份各不相同的组织样本。据斯特布尔斯说，在90%的情况下，临床医生都能正确区分不同的样品。去年6月，在于美国纽约举办的第20届国际听觉显示学术会议上，他和同事报告了这项研究。斯特布尔斯说，他的研究组打算在一年内，在各个诊所测试声谱检测癌症的方法。

斯特布尔斯相信，这种方法最终会用在手术室中，迅速为外科医生提供反馈，告诉他们癌细胞是否已被移除干净。为了实现这个目标，光谱分析必须得快速进行，然后将分析结果转化为声音，传送进手术室。这意味着，斯特布尔斯他们选择的声调、音高和音色不仅要能保留原始声谱特性，还得让人听起来觉得悦耳。

“在高精度的外科手术中，医生们可不希望有持续的响声萦绕在耳边而让自己分心，”斯特布尔斯说，“要生成不至于令人分心的信号，同时还要保证数据质量以区分不同的组织或细胞，在这两点之间寻找平衡是非常困难的。”不过，他在临床医生那里进行的测试表明，声音化方法已经实现了不错的平衡。

听觉 VS 视觉

虽然与视觉显示相比，声音化具有更多的优势，但在斯特布尔斯、亚历山大和其他声音专家面前，仍有一个看似简单却十分重要的障碍：如何鼓励研究人员尝试使用这种新方法来研究数据。 “从小学开始，围绕着我们的就是像柱状图和饼图这样的视觉表现形式，”亚历山大说。当有些人最终成为科学家后，他补充道，“他们对这些图形图像的用途及其内在逻辑更为熟悉，已经具备了自然而然的感知能力；而当第一次按下‘播放’键开始聆听数据时，他们对此完全没有直观的认知和感觉，所以现在还没有用声音开展比较研究的基础。”

不过，近期一些热门研究也能体现声音化方法的价值。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，录入了一张唱片，播放出的声音具有类似古巴黑人音乐的节奏，可以从iTunes上下载。

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射线天文台捕捉记录。盲人天体物理学家万达·迪亚兹·梅塞德（Wanda Diaz-Merced）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。在他的一些具有音乐背景的同事眼里，这些数据中的一部分就像音符一样——同古巴黑人音乐和巴萨诺瓦音乐中被称为“响棒”（clave）的节奏高度类似。在此基础上，一位科学家的表亲、德国作曲家福尔克马尔·施图德托卡（Volkmar Studtrucker）编写了一些曲子。根据从X射线转化出的不同音符序列，他谱写出了巴萨诺瓦、赋格曲、华尔兹、布鲁斯、爵士民谣以及其他一些曲风的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）。

这一系列作品在天文学和其他科学领域已经十分流行了。在亚历山大听来，它们都是优美的旋律：“仅仅是将已有的数据变为声音，并让更多的人使用这个方法，就已经解决了一部分难题。”他认为，聆听科学的声音将会带来全新的发现。亚历山大说，这类声音化的数据中“充满了短促的、具有细微差别的声响，个个都是急切地等待着解决的物理难题。”