本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
在過去十年中，唱片播放器已經卷土重來。部分原因可能要歸功於潮人追求復古一切的潮流，但音樂愛好者通常聲稱唱片的聲音就是比數字音樂好。在父母家找到我媽媽的老唱片收藏後，我也為唱片播放器的銷量增長出了一份力。這些收藏品本身並沒有特別令人興奮，但聆聽她青少年時代播放過的完全相同的唱片的可能性，感覺像是某種時間旅行。
所以我們買了一臺唱片播放器。我清楚地記得播放了披頭士樂隊的《佩珀軍士的孤獨之心俱樂部樂隊》。我盡職盡責地滿足了大學生對定期播放披頭士樂隊的刻板印象，所以我已經聽過這些歌一百遍了。但是，當《生命中的一天》結尾的嘈雜聲響起時，它與我之前聽到的不一樣。它聽起來更深沉、更飽滿，好像裡面有新的聲音。我一直對黑膠唱片音質更好的說法持懷疑態度，所以聽到這種差異讓我感到驚訝。作為一個有科學頭腦的人，我不會輕易被一個數據點所左右，但這次經歷確實激起了我的好奇心。
那麼黑膠現象是怎麼回事？唱片真的天生就能發出更飽滿的聲音嗎？為了對這些問題抱有任何解答的希望，我們必須從更基本的問題開始：什麼是聲音，我們是如何聽到聲音的？
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所有的聲音都只是空氣中的振動。您可能已經看到聲音被視覺化為具有許多峰和谷的圖形。這個圖形被稱為聲波，它顯示了在給定時間點空氣被壓縮的程度。來自某些噪聲源的受擾空氣透過耳道漏斗到達一個叫做鼓膜的薄膜。振動的空氣導致鼓膜以與空氣中的擾動相同的模式來回彈跳，這種模式被髮送到大腦以解釋為聲音。
人類的耳朵啟發了第一個音訊錄音裝置，由愛德華-萊昂·斯科特·德·馬丁維爾於 1857 年發明。這臺機器被稱為聲波記振儀。喇叭充當耳道的作用，將空氣向下匯入到一片薄薄的羊皮紙上。像鼓膜一樣，當振動的空氣經過時，羊皮紙會振盪。但在聲波記振儀中，運動從羊皮紙傳遞到連線的觸筆。然後，一張紙記錄了觸筆繪製的圖形。這個過程的每一步都是振動從一種介質到另一種介質的物理傳遞，因此最終結果是一條曲線，顯示了產生原始聲音的氣壓變化。這些圖形可能包含足夠的資訊來再現錄製的聲音，這一事實似乎並沒有出現在德·馬丁維爾或他的同事的腦海中，但不能責怪他們沒有立即假設頁面上的一個潦草的曲線可以用來再現複雜的聲音。
模擬播放出現在 19 世紀 70 年代，當時法國發明家查爾斯·克羅斯提出了一個巧妙的想法，將聲波記振儀的錄音轉移到光碟上的凹槽中。如果您放大黑膠唱片上的單個凹槽並從側面觀察，其形狀將類似於聲波記振儀的圖形之一。要回放聲音，聲波記振儀的過程會反轉。一個細點，例如唱針，沿著凹槽滑動，隨著唱片中編碼的峰和谷上下移動。唱針由唱臂固定，唱針的運動再現了原始錄音期間觸筆所做的相同運動。然後，該唱臂連線到一塊薄薄的柔性材料上，該材料根據唱臂的運動來回振動。材料的運動擾亂了空氣，並且擾動在流出喇叭時被放大。這種回放方法產生的空氣振動與產生原始錄音的振動相同。因為我們的耳朵完全根據空氣中的壓縮模式來解釋聲音，所以我們聽到的聲音與錄製的聲音完全相同。
這個過程的力學原理似乎足夠合理。聲音由空氣中的振動定義。受擾動的空氣使聲波記振儀以特定的方式移動。再現這種運動會使靜止的空氣以之前的方式振動，因此再現了相同的聲音。但是，隱藏在這個過程中的是一個完全違反直覺的說法，即從大衛·鮑伊到妮娜·西蒙再到指甲刮黑板的聲音，都可以簡化為錄製凹槽上的單個潦草的曲線。
如果我們想弄清楚這一點，我們需要知道大腦如何決定產生什麼樣的聆聽體驗。大腦做出的兩個關鍵決定是您將聽到的音量和音調。音量取決於聲波的峰和谷的大小（稱為振幅），音調取決於在一秒鐘內透過您耳朵的峰數（稱為頻率）。振幅越大，噪聲越大；頻率越高，音調越高。樂隊演奏他們的熱門歌曲不會產生足夠均勻的聲波來輕鬆地挑選出振幅或頻率，但這沒關係。具有均勻振幅和頻率的聲波稱為純音，這些純音很容易轉化為某種音調和音量。
當然，如果鋼琴和小提琴以完全相同的音量演奏相同的高音 C，兩種音符之間仍然存在某種感覺不同的品質。事實證明，純音不會自然產生，當鋼琴或小提琴產生高音 C 時，聲波是由不同純音的特定組合組成的。不同的振幅和頻率彼此之間具有良好的關係，這就是為什麼您聽到的是特定的音符，而不是一團雜亂的衝突噪聲，但您聽到的單個音調並不對應於單個頻率。聲音的難以定義的品質，使您能夠識別您正在聽的樂器，是由純音的確切組合決定的。當不同的樂器同時演奏時，各種純音會加在一起，形成您聽到的音樂。
那麼，純音與唱片凹槽能夠區分大衛·鮑伊和妮娜·西蒙有什麼關係呢？事實證明，任何曲線都可以以完全一種方式寫成具有均勻振幅和頻率的曲線的組合。換句話說，在唱片播放器的凹槽中捕獲的單個潦草的曲線可以寫成純音的組合。並且只有一種組合會產生任何特定的潦草的曲線。使這成為可能的工具來自數學，稱為傅立葉變換。結合我們體驗到的聲音是由純音的確切組合決定的這一事實，這個數學知識解釋了黑膠唱片凹槽如何完全決定您聽到的音樂。
然而，當涉及到將聲音儲存為數字檔案時，計算機的有限容量是一個問題。聲波包含無限多的點。計算機無法儲存無限量的資訊。數字音樂儲存是可能的，這要歸功於 1930 年代數學家們的工作，他們提出了取樣定理。根據該定理，可以使用有限數量的點完全重建聲波——只要這些點足夠接近。
有一個問題：該定理要求當傅立葉變換將曲線分解為純音的組合時，所有頻率都落在某個最大值和最小值之間。為了重建曲線，曲線上點與點之間需要有多接近取決於此最大值和最小值之間的距離。由於人類只聽到一定頻率範圍內的聲音，我們可以消除可能出現在聲波分解中的任何其他頻率，並且仍然可以恢復原始聲音。因此，取樣定理解釋瞭如何使用有限的資訊量來儲存任何聲波。
由於數學描述的是現實的理想化版本，因此從數字檔案重建的聲波可能與聲音本身的振動不完全匹配。另一方面，模擬錄音純粹是物理的。這是否意味著模擬更準確？不，這只是意味著它不同。移動、灰塵或劃痕會改變模擬播放器發出的聲音，並且錄音過程同樣敏感。模擬播放產生的聲波可能比高質量數字檔案更偏離原始聲音。
音質取決於許多因素，並且不可能明確宣告模擬或數字在根本上更好。如今，許多唱片都是使用數字檔案的回放製作的，因此對黑膠唱片的偏好不能僅僅歸因於聲波再現方式的差異。但事實仍然是，模擬捕捉的是物理過程，而數字則使用數學將該過程簡化為有限的位元資訊。在這種簡化過程中丟失了什麼（如果有的話）很難 pinpoint。但是，數學在複製現實方面的侷限性可能會影響許多黑膠唱片愛好者報告的聆聽體驗的差異。