Немецкие физики задались вопросом: как формируются наши ожидания от дальнейшего развития музыкального произведения на основе последовательностей, которые мы слышим? Считается, что музыкальный смысл и эмоциональное восприятие возникают в результате взаимодействия самого предвкушения и воплощения того, что ожидалось. Проверить это ученые решили с помощью современных методов науки о данных, рассматривая музыку как коррелированный динамический процесс.
Группа исследователей Института динамики и самоорганизации Общества Макса Планка (Германия) взяла для экспериментов музыкальные произведения, сохраненные в формате MIDI. Ноты в них легко интерпретировать и быстро обрабатывать на компьютере.
Для исследования автокорреляционной функции музыкальных последовательностей нужно было провести анализ одномерных временных рядов. Поэтому приоритет отдавался файлам, соответствующим монофоническим (способным играть только одну ноту за раз, как медные или деревянные духовые) инструментам, или, если это была полифония, — самым выделяющимся, например первой скрипке. Композиции, написанные для фортепиано или клавесина, были исключены.
Для характеристики изменений в стохастических временных рядах физики выбрали метод анализа спектральной плотности мощности. При нем периодические компоненты проявляются в виде более или менее выраженных пиков, которые можно легко идентифицировать. Всего они дали оценку 553 временным рядам высоты тона, из которых 99 были извлечены из партитур классической музыки, а 454 — из джазовых сольных импровизаций.
В ходе исследования отчетливые пики, как индикаторы ритмических структур, были зафиксированы на периодах 0,25, 0,5, 1, 2 и 4, которые соответствуют шестнадцатым, восьмым, четвертным, половинным и целым нотам. Ученые обнаружили, что пики, наблюдаемые в классических произведениях, как правило, гораздо сильнее, чем в джазовых импровизациях. Эту разницу можно объяснить тем, что классика ритмически более регулярна и исполняется без затактов (неполная доля такта, предшествующая первой доле последующего такта). Наиболее же распространенными в обоих музыкальных направлениях размерами такта стали 3/4 и 4/4.
Функция автокорреляции описывает сходство между двумя рядами как функцию от разницы во времени между ними, и физики выяснили, что у высоты звука она изначально убывает очень медленно. Это дает возможность легко предсказать музыкальный процесс, то есть временной ряд. Однако прогрессия имеет предел, после которого предсказуемость резко прерывается, и тогда временной ряд обнаружит больше сюрпризов.
Джазовые импровизации обычно показывали более короткое время этого перехода от коррелированного к некоррелированному ожиданию. Различия обнаружились и между восприятием композиторов. Так, в произведениях Баха переходный период занимал от пяти до двенадцати четвертных нот, в сочинениях Моцарта — от восьми до 22. Значит, от музыки автора «Токкаты и Фуги ре минор» можно ожидать больше разнообразия, чем от шедевров создателя «Симфонии №40» и «Реквиема». Предсказуемость музыкального развития у Моцарта — выше.
Результаты своих поисков количественной меры разнообразия музыки ученые описали в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.