看到声音：用显微镜播放唱片

果壳 科学人

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【如果觉得我已经改好了的话，我就把所有的图片文件发邮件给你。】

这里有一段音频，其重要之处在于这是人类历史上最早的录音。音频的制作者是 Édouard-Léon Scott de Martinville（简写为 Leon Scott），他制作了第一台声波记录仪。

【音频一：Leon Scott 的录音，只用 Au Clair de la Lune 这一段。】【音频注释：Leon Scott 于 1860 年记录下了这段录音。】

【给编辑：如果要制作视频的话，倒是可以放入一张 Leon Scott 的声波记录仪的图片，例如维基百科的 https://en.wikipedia.org/wiki/Phonautograph】

不过，我们知道爱迪生发明了留声机，第一次能够把声音还原出来。而 Leon Scott 的这个仪器，当时只能记录，却不能把声音还原。上面这段录音，可是粒子物理学家 Carl Haber 等人使用非常巧妙的手段还原出来的。

使用绘画和雕刻，人类可以记录自己所见。然而说过的动人的话语，很快就会弥散在空气中，消失了。如果仅仅想要记录声音，我们不需要电子设备，甚至也不需要高端的化学，但是第一次能够记录声音，却是十九世纪的事情了。

记录在纸上的声音

爱迪生发明了留声机，他成为第一个还原声音的人。可是这并不意味着他是第一个记录声音的人。除了传说中的在陶罐上记录声音，第一个现代的记录是一段音乐。

Leon Scott 是第一个将声音用现代的方法记录下来的人（1860年），他的记录是在纸上的一些曲线，与爱迪生的留声机不同的是，他只能记录却不能像爱迪生那样还原。

图片注释：Leon Scott 在纸上记录的声音，他非常聪明地在每一个录音旁边放置了一条校准“音轨”。

【给编辑：图片名称为 leonScottPhonautograph.png】

这架声波记录仪是根据人的耳朵的结构来制作的，其三个主要结构分别对应耳道、耳膜和听小骨。声音是机械振动，声波传送到仪器中，然后连接在一个膜上面的鬃毛类的部件（听小骨的对应）可以把振动记录在涂有灯黑的纸张或者玻璃上。

Leon Scott 没有还原出来的声音，我们现在能再听到么？显然这个声波记录仪在记录中损失了很多声音信息，那么用我们现在的科技，能够把这段声音还原么？

还原各种声音记录

在解答这个问题之前，我们先了解一下十九世纪末二十世纪初人类记录声音的方式。现代的声音记录，以 20 世纪 20 年代为分界线的。在此之前，声音记录是依靠在材质上刻录的深浅这一个维度来记录信息的，而在此之后，则采用了平面内音轨向左向右来记录声音。

图片注释：左图是在蜡制作的圆筒上雕刻不同深浅的音轨来实现声音记录的。图片来源：维基百科 右图为蜡制的圆筒表面的 3D 扫描。

【给编辑：这个图片是文件Edisongoldmoulded.jpg】

图片注释：左图：胶片是通过音轨的左右摆动来记录声音信息的；中图：唱针在胶片上移动，会左右振动，再经过处理就可以把声音还原；右图：胶片在显微镜下的照片（经过处理），可以看到音轨并不是直线。

【给编辑：图片名称为 plate.png】

了解了记录音频的方法，我们还是回到上面问过的问题：如果我们没有播放机，或者蜡筒断掉了，再或者唱片折了，用我们现在的科技，如何把这段声音还原呢？如果我们所要播放的物件是一件珍贵的文物，而放入播放机播放的行为会导致文物磨损，我们如何获得声音呢？

粒子物理学家与 IRENE 项目

Carl Haber 和 Vitaliy Fadeyev 是两位粒子物理学家。在大型强子对撞机实验中，对很多部件的精度要求是非常高的，例如有些探测器能够区分的位置精度达到人的头发丝粗细这样的量级。所以他们是在光学显微镜下，并且通过计算机算法来控制特殊的机器来组装的。这样的机器可以在组装的时候达到微米量级的精度。

机缘巧合，在一次开车是 Carl Haber 听到广播中对于著名鼓手 Mickey Hart 的采访。采访中 Mickey Hart 提到了现在有大量的过去的音频资料现在并没有得到足够好的保护。灵光一闪，Carl Haber 意识到了他们在 LHC 所用到的技术是可以用在那些濒危的音频资料的重新获取上的。

由于接触式的播放会导致文物磨损，所以现今保存的蜡筒之类的音频资料并不会常常取来播放。而且有的文物本来就已经断裂，原有的播放机无法播放，再或者像开头的那个纸上的声音一样，我们压根就没有一台可以播放机。

设想我们有一台分辨率非常高的相机，将一张胶片（上面的第二种记录方式，即上世纪 20 年代之后）拍下来，然后使用图像处理的方法来将胶片照片上的信息提取出来，经过程序来模拟播放机的功能，这些图像就可以被转换成声音文件。

图片注释：用来扫描胶片的仪器。胶片上面是光学显微镜的镜头，通过胶片的转动可以把整个胶片的音轨信息都扫描出来。来自 IRENE 项目 。

【给编辑：图片名称 microscope.jpg】

而对于那些更早的声音记录，例如爱迪生曾经发明过的会讲话的娃娃，娃娃的声音记录是通过刻录的深度来储存的，这就意味着我们需要获取这些刻痕的深度信息。这并不困难，在物理和生物领域大量使用的共聚焦扫描显微镜就可以获取这些刻痕的 3D 信息，扫描的结果在上面的蜡制圆筒图中展示过了。通过与胶片处理类似的手段，可以利用计算机程序把这类蜡制圆筒上的声音还原出来。

【音频：http://172.30.65.11:82/1Q2W3E4R5T6Y7U8I9O0P1Z2X3C4V5B/www.nps.gov/av/ner/avElement/edis-tenhp_edison_c_E-821-8_edis-1279_20110523_minus-5-semitones-and-eqd.mp3 音频来源：http://www.nps.gov/edis/learn/photosmultimedia/talking-doll-record-hear-the-recording.htm】

图片注释：爱迪生发明的会讲话的娃娃和它发出的声音，声音是记录在一个金属环上的。图片来源：http://www.edisontinfoil.com/doll.htm

这段录音听起来并不悦耳。这只是一个实验品，并非最终卖出去的成品。然而 Carl Haber 在一次讲座中提到，当时有人花了一个月的工资给孩子买了这个娃娃，然后把小孩吓哭了。

这种光学的方法，并不会磨损这些文物，而且即使是破损的记录材料（例如断裂的胶片）也不能阻碍声音还原，这对于音频保护来说是非常好的消息。于是 Carl Haber 和 Vitaliy Fadeyev 等人就成立了 IRENE 项目。在项目中他们还原了很多早期的音频记录，除了上面这些，还有一个特别有趣的是著名科学家和发明家贝尔的声音。

【音频：http://bio16p.lbl.gov/Smithsonian/Audio/2013%20Release/This-record-DCFIR.wav 来源：http://bio16p.lbl.gov/volta-release-2013.html 】

图片注释：记录了贝尔声音的蜡制圆盘。录音制作于 1885 年。圆盘已经破损了，但是这并不妨碍光学显微镜先扫描并且通过计算机算法还原声音，只需使用算法将扫描图像对齐接起来就可以了。

起初，这样还原出来的声音是非常嘈杂的，甚至无法分辨录音中的人在说什么内容。经过扫描技术和算法的改进，正如文中这些录音，我们至少已经可以听清录音的内容了。现在，这项只能看不能摸的数字化技术，正在帮助很多图书馆的工作人员将一些珍贵的声音记录数字化，在将来会有更多过去的声音等待我们去欣赏，更多过去的故事等待我们去发现。