本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
在过去十年中，唱片播放器已经卷土重来。部分原因可能要归功于潮人追求复古一切的潮流，但音乐爱好者通常声称唱片的声音就是比数字音乐好。在父母家找到我妈妈的老唱片收藏后，我也为唱片播放器的销量增长出了一份力。这些收藏品本身并没有特别令人兴奋，但聆听她青少年时代播放过的完全相同的唱片的可能性，感觉像是某种时间旅行。
所以我们买了一台唱片播放器。我清楚地记得播放了披头士乐队的《佩珀军士的孤独之心俱乐部乐队》。我尽职尽责地满足了大学生对定期播放披头士乐队的刻板印象，所以我已经听过这些歌一百遍了。但是，当《生命中的一天》结尾的嘈杂声响起时，它与我之前听到的不一样。它听起来更深沉、更饱满，好像里面有新的声音。我一直对黑胶唱片音质更好的说法持怀疑态度，所以听到这种差异让我感到惊讶。作为一个有科学头脑的人，我不会轻易被一个数据点所左右，但这次经历确实激起了我的好奇心。
那么黑胶现象是怎么回事？唱片真的天生就能发出更饱满的声音吗？为了对这些问题抱有任何解答的希望，我们必须从更基本的问题开始：什么是声音，我们是如何听到声音的？
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所有的声音都只是空气中的振动。您可能已经看到声音被可视化为具有许多峰和谷的图形。这个图形被称为声波，它显示了在给定时间点空气被压缩的程度。来自某些噪声源的受扰空气通过耳道漏斗到达一个叫做鼓膜的薄膜。振动的空气导致鼓膜以与空气中的扰动相同的模式来回弹跳，这种模式被发送到大脑以解释为声音。
人类的耳朵启发了第一个音频录音设备，由爱德华-莱昂·斯科特·德·马丁维尔于 1857 年发明。这台机器被称为声波记振仪。喇叭充当耳道的作用，将空气向下导入到一片薄薄的羊皮纸上。像鼓膜一样，当振动的空气经过时，羊皮纸会振荡。但在声波记振仪中，运动从羊皮纸传递到连接的触笔。然后，一张纸记录了触笔绘制的图形。这个过程的每一步都是振动从一种介质到另一种介质的物理传递，因此最终结果是一条曲线，显示了产生原始声音的气压变化。这些图形可能包含足够的信息来再现录制的声音，这一事实似乎并没有出现在德·马丁维尔或他的同事的脑海中，但不能责怪他们没有立即假设页面上的一个潦草的曲线可以用来再现复杂的声音。
模拟播放出现在 19 世纪 70 年代，当时法国发明家查尔斯·克罗斯提出了一个巧妙的想法，将声波记振仪的录音转移到光盘上的凹槽中。如果您放大黑胶唱片上的单个凹槽并从侧面观察，其形状将类似于声波记振仪的图形之一。要回放声音，声波记振仪的过程会反转。一个细点，例如唱针，沿着凹槽滑动，随着唱片中编码的峰和谷上下移动。唱针由唱臂固定，唱针的运动再现了原始录音期间触笔所做的相同运动。然后，该唱臂连接到一块薄薄的柔性材料上，该材料根据唱臂的运动来回振动。材料的运动扰乱了空气，并且扰动在流出喇叭时被放大。这种回放方法产生的空气振动与产生原始录音的振动相同。因为我们的耳朵完全根据空气中的压缩模式来解释声音，所以我们听到的声音与录制的声音完全相同。
这个过程的力学原理似乎足够合理。声音由空气中的振动定义。受扰动的空气使声波记振仪以特定的方式移动。再现这种运动会使静止的空气以之前的方式振动，因此再现了相同的声音。但是，隐藏在这个过程中的是一个完全违反直觉的说法，即从大卫·鲍伊到妮娜·西蒙再到指甲刮黑板的声音，都可以简化为录制凹槽上的单个潦草的曲线。
如果我们想弄清楚这一点，我们需要知道大脑如何决定产生什么样的聆听体验。大脑做出的两个关键决定是您将听到的音量和音调。音量取决于声波的峰和谷的大小（称为振幅），音调取决于在一秒钟内通过您耳朵的峰数（称为频率）。振幅越大，噪声越大；频率越高，音调越高。乐队演奏他们的热门歌曲不会产生足够均匀的声波来轻松地挑选出振幅或频率，但这没关系。具有均匀振幅和频率的声波称为纯音，这些纯音很容易转化为某种音调和音量。
当然，如果钢琴和小提琴以完全相同的音量演奏相同的高音 C，两种音符之间仍然存在某种感觉不同的品质。事实证明，纯音不会自然产生，当钢琴或小提琴产生高音 C 时，声波是由不同纯音的特定组合组成的。不同的振幅和频率彼此之间具有良好的关系，这就是为什么您听到的是特定的音符，而不是一团杂乱的冲突噪声，但您听到的单个音调并不对应于单个频率。声音的难以定义的品质，使您能够识别您正在听的乐器，是由纯音的确切组合决定的。当不同的乐器同时演奏时，各种纯音会加在一起，形成您听到的音乐。
那么，纯音与唱片凹槽能够区分大卫·鲍伊和妮娜·西蒙有什么关系呢？事实证明，任何曲线都可以以完全一种方式写成具有均匀振幅和频率的曲线的组合。换句话说，在唱片播放器的凹槽中捕获的单个潦草的曲线可以写成纯音的组合。并且只有一种组合会产生任何特定的潦草的曲线。使这成为可能的工具来自数学，称为傅里叶变换。结合我们体验到的声音是由纯音的确切组合决定的这一事实，这个数学知识解释了黑胶唱片凹槽如何完全决定您听到的音乐。
然而，当涉及到将声音存储为数字文件时，计算机的有限容量是一个问题。声波包含无限多的点。计算机无法存储无限量的信息。数字音乐存储是可能的，这要归功于 1930 年代数学家们的工作，他们提出了采样定理。根据该定理，可以使用有限数量的点完全重建声波——只要这些点足够接近。
有一个问题：该定理要求当傅里叶变换将曲线分解为纯音的组合时，所有频率都落在某个最大值和最小值之间。为了重建曲线，曲线上点与点之间需要有多接近取决于此最大值和最小值之间的距离。由于人类只听到一定频率范围内的声音，我们可以消除可能出现在声波分解中的任何其他频率，并且仍然可以恢复原始声音。因此，采样定理解释了如何使用有限的信息量来存储任何声波。
由于数学描述的是现实的理想化版本，因此从数字文件重建的声波可能与声音本身的振动不完全匹配。另一方面，模拟录音纯粹是物理的。这是否意味着模拟更准确？不，这只是意味着它不同。移动、灰尘或划痕会改变模拟播放器发出的声音，并且录音过程同样敏感。模拟播放产生的声波可能比高质量数字文件更偏离原始声音。
音质取决于许多因素，并且不可能明确声明模拟或数字在根本上更好。如今，许多唱片都是使用数字文件的回放制作的，因此对黑胶唱片的偏好不能仅仅归因于声波再现方式的差异。但事实仍然是，模拟捕捉的是物理过程，而数字则使用数学将该过程简化为有限的比特信息。在这种简化过程中丢失了什么（如果有的话）很难 pinpoint。但是，数学在复制现实方面的局限性可能会影响许多黑胶唱片爱好者报告的聆听体验的差异。