Da diverso tempo volevo scrivere qualcosa sui legami tra matematica e musica, da esperto della prima con qualche rudimento della seconda. L’occasione mi è offerta da un lavoro che ho svolto per testare le capacità di diverse piattaforme IA. Questo è diventato il primo di una serie di post che ho raccolto in questa pagina.

Mi sono reso conto che non c’è inizio migliore che parlare delle note. Do, Re, Mi… quelle.

Gli scrittori antichi che ci tramandano notizie sui cosiddetti pitagorici raccontano storie di corde. Ossia della scoperta che l’armonia dei suoni si ottiene suddividendo corde secondo numeri interi e rapporti semplici (a metà, a due terzi, a tre quarti…). Pare che questo abbia avuto una rilevanza notevole nella formulazione della teoria pitagorica del tutto è numero.

Una corda come unità di misura

Immaginiamo uno strumento con una corda lunga “1” (metro? piede? non importa: è la corda lunga 1, l’unità di misura). Quando la “suoniamo” otteniamo una certa nota (diciamo un Do). Se blocchiamo la corda a metà e la suoniamo otterremo un altro Do, solo più acuto (un’ottava sopra). Stoppando la corda a della lunghezza otterremo un Sol (una quinta sopra la nota di partenza). Bloccandola a un Fa (una quarta sopra la nota di partenza).

Il Do alto è una quarta sopra il Sol, che, a sua volta, è una quinta sopra il Do basso. Se prendo la corda lunga (Sol) e la stoppo ai suoi (una quarta sopra), avrò stoppato la corda di partenza ai suoi , ossia a metà. Il Do alto, appunto.

Questi “quarta” e “quinta” vengono da un modo bizzarro di contare i gradi della scala, che conta pure gli estremi: Do, Re, Mi, Fa: sono quattro, una quarta.

In realtà, facendo qualche calcolo, a chi ha studiato queste cose è venuto in mente che di gradi ne usiamo un po’ di più. Perché, ad esempio, tra Fa e Sol si può immaginare una nota intermedia. In realtà se ne possono immaginare infinite, di note intermedie. La nostra musica occidentale ne mette due, o una sola.

L’uso occidentale è quello di dividere l’ottava in dodici semitoni, e una scala (anche qui ci sarebbe tanta matematica: di scale ce ne sono di tanti tipi diversi, a seconda dell’assortimento di toni e semitoni) ne usa solamente alcuni, tipicamente sette più l’ottavo che è come il primo, solo un po’ più su.

Calcoliamo le lunghezze?

Bellissimo, vero? Tutte le note spiegate in termini di frazioni semplici… un modo meraviglioso per vedere la matematica all’interno dell’armonia, o l’armonia all’interno della matematica, come preferite. Ma una matematica semplice: quella delle frazioni!

Procediamo di quinta in quinta salendo, moltiplicando ogni volta per la lunghezza della corda precedente (nel grafico, numeri in rosso). Inoltre, moltiplichiamo per 2 quando la corda si fa troppo corta e il suono diventa più acuto del Do alto che prendiamo come limite superiore. Contemporaneamente, procediamo per quinte discendenti, moltiplicando ogni volta per (nel grafico, numeri in viola), e, nel caso otteniamo un numero maggiore di 1, dimezziamo salendo di un’ottava.

Così dovremmo raggiungere tutte le note, almeno le 12 note che vediamo in una tastiera del pianoforte. La sequenza rossa dovrebbe essere questa. Do – Sol – Re (abbassiamo) – La – Mi (abbassiamo) – Si – Fa# (abbassiamo). Quella viola: Do (alto) – Fa – Sib (alziamo) – Mib – Lab (alziamo) – Reb – Solb (alziamo). A questo punto dovremmo chiudere il cerchio, se Fa# e Sib sono la stessa nota, come siamo abituati a pensare.

Il problema

Iniziate a vedere il problema? Ogni salto di quinta verso l’alto si ottiene moltiplicando il numeratore per 2 (o per 4, se contemporaneamente scendiamo di un’ottava) e il denominatore per 3. Ogni salto di quinta verso il basso, invece, si ottiene moltiplicando il numeratore per 3 e il denominatore per 2 (o per 4, se contemporaneamente saliamo di un’ottava). Alla fine, il Fa# dovrà avere a denominatore una potenza di 3, mentre il Solb una potenza di 2. Non c’è modo che due frazioni fatte così possano essere uguali.

Il cerchio non si chiude. E’ un problema? Non lo è per quegli strumenti in cui l’intonazione è decisa dall’orecchio del musicista: la nota la prende dove gli serve su una tastiera senza tasti (come quella di un violino) che gli permette di scegliere in una continuità di lunghezze possibili. Ma in uno strumento che ha una corda per ogni nota, è necessario sapere esattamente se la corda è lunga come un Mi# o come un Fa, se con una lunghezza di 0,74 o di 0,75, perché questa è la differenza.

Ecco che la scoperta dei cosiddetti pitagorici (quella dei rapporti semplici secondo numeri interi) funziona molto bene localmente, vicino alla nota centrale usata come riferimento, ma via via diventa complicata e approssimativa allontanandosi da questa.

L’alternativa

C’è un’alternativa. E richiede la rinuncia ai numeri razionali: ognuna delle 12 note successive al Do che ha una corda lunga “1”, ha una lunghezza di : ad esempio la corda del Fa è lunga , molto vicino a 0,75 del Fa pitagorico; oppure quella del sol è , anche questo molto vicino ai del Sol pitagorico.

Questa dei numeri irrazionali è una strada che mai i pitagorici avrebbero potuto intraprendere. Ci sono almeno due versioni diverse sulla brutta fine che capitò al pitagorico Ippaso di Metaponto, colpevole di aver scoperto l’incommensurabilità della diagonale e del lato del quadrato, ossia di aver dimostrato che esistono rapporti non esprimibili come frazioni (irrazionali). E infatti è l’aristotelico Aristosseno di Taranto, a suggerire l’idea, poi sviluppata tra il 1500 e il 1800, del temperamento equabile, che prende piede in modo ampio solo nel 1900 (dell’era cristiana). In mezzo, sia in senso temporale che di sfumatura, diversi tentativi di “buoni temperamenti”, cioè di sistemazioni delle note in modo da avere 12 semitoni in un’ottava, anche se con rapporti non tutti identici, ma che consentono, comunque, di suonare in tutte le tonalità (cosa impossibile nel pitagorico), spesso donando a ciascuna di esse una particolare coloritura (cosa che non avviene nell’equabile).

Questione d’orecchio

Non si tratta di questioni di lana caprina. Né dal punto di vista matematico, né da quello musicale.

Dal secondo, il cosiddetto comma pitagorico, cioè la differenza tra i punti di arrivo della costruzione del cerchio delle quinte secondo il temperamento pitagorico, è di quasi un quarto di tono, perfettamente all’interno delle capacità risolutive dell’orecchio umano. Questo agli estremi: per le posizioni intermedie comunque chi suona dice che la differenza tra i vari temperamenti si sente.

Effettivamente ci sono dei fenomeni fisici che in certe condizioni si verificano se le frequenze delle note non sono perfettamente multiple, i battimenti. Ad esempio, in questo video si può apprezzare, prestando attenzione e ascoltando più volte, le diverse vibrazioni prodotti da intervalli temperati in modo diverso. Gli intervalli di quinta, o di terza più o meno stretti caratteristici di questo o quel temperamento significano esperienze auditive diverse, una diversa resa dell’interazione tra strumenti e timbri diversi, una diversa fedeltà a ciò che coloro che quella musica l’hanno scritta o ascoltata per la prima volta hanno sentito davvero, visto che c’è una storia dietro ai diversi temperamenti.

Dal primo punto di vista, è un esempio abbastanza lampante delle diverse caratteristiche di numeri razionali e irrazionali, del loro emergere nella vita quotidiana, del fatto che, indipendentemente da come consideriamo i numeri, se li vediamo cioè come proprietà realmente presenti nel mondo che ci circonda, o come, invece, utili strumenti che la mente usa per rappresentare quello stesso mondo, essi ci interpellano anche in uno dei campi apparentemente più lontani dal rigore che solitamente riguarda la matematica, e lo fanno mettendosi i panni di veri e propri guastafeste, che ci impongono di scegliere cosa vogliamo salvare e in che misura: la simmetria di una struttura equa e ben misurata, e irrazionale, o la gradevolezza di un sistema perfettamente armonico, ma non dappertutto.

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Questo post fa parte della serie La matematica della musica. Il prossimo post della serie riguarda Hildegard di Bingen.