Расплетая радугу. Наука, заблуждения и потребность изумляться

Звуки различных длин волн образуют спектр, аналогичный радуге. Звуковую радугу тоже можно расплести — собственно, это и позволяет нам хоть как-то ориентироваться в звуках. Если наше восприятие цвета представляет собой ярлыки, присвоенные мозгом свету с различными длинами волн, то в случае звуков точно такими же метками, используемыми мозгом для собственного удобства, служат значения высоты звука. Однако звуки характеризуются далеко не только высотой, и вот тут-то расплетание радуги выходит на передний план.

Камертон и стеклянная гармоника (инструмент, пользовавшийся благосклонностью Моцарта; состоит из тонких стеклянных чаш, которые настраиваются добавлением в них нужного количества воды, звук извлекается проведением смоченного пальца по ободку) издают кристально чистые звуки. Физики называют такие колебания синусоидальными, или гармоническими. Синусоидальные волны — это простейшая разновидность волн, своего рода идеальная абстракция. Плавные изгибы, змейкой пробегающие по веревке, если взмахивать одним ее концом, — это колебания, более или менее близкие к гармоническим, хотя частота их, разумеется, намного ниже, чем у звуковых волн. Большинство звуков — не простые синусоидальные волны: обычно они, как мы вскоре увидим, более сложные и менее плавные. А пока поговорим о камертоне и стеклянной гармонике и о производимых ими гладко изогнутых волнах перепадов давления — волнах, что разбегаются от своего источника расширяющимися концентрическими сферами. Ухо-барометр, находясь в некой определенной точке, фиксирует плавное возрастание давления, а затем плавное понижение — ритмичные колебания без каких-либо изломов или вывертов на графике. Каждый раз, когда частота волн удваивается (или вдвое уменьшается их длина, что одно и то же), мы слышим скачок на одну октаву. Очень малые частоты — самые низкие ноты оргáна — проходят через все наше тело и едва воспринимаются на слух. К очень высоким частотам люди (особенно пожилые) невосприимчивы, зато летучие мыши их прекрасно слышат и используют в форме эха, чтобы ориентироваться в пространстве. Это одна из самых захватывающих тем во всем естествознании, но я уже посвятил ей целую главу в «Слепом часовщике», так что удержусь от искушения и не буду углубляться.

Однако, если оставить в стороне камертоны и стеклянные гармоники, чистые синусоидальные волны — это по большому счету математическая абстракция. В реальности звуки, как правило, представляют собой сложносоставную мешанину, где, поверьте, есть что расплетать. Наш головной мозг занимается этим безо всяких усилий и с поразительной эффективностью. То, что нашему математическому пониманию поддается с большим трудом, грубо и не полностью, наши уши без малейшей трудности расплетают — а мозг сплетает заново — с раннего детства.

Представьте, что мы ударили по камертону — и он завибрировал с частотой 440 колебаний в секунду, или 440 герц (Гц). Мы услышим чистый звук — ля первой октавы. В чем разница между этим звуком и той же самой нотой, взятой на скрипке? А на кларнете? А на гобое или флейте? Ответ заключается в том, что в звучании каждого музыкального инструмента содержатся волновые примеси, частоты которых кратны основной, или фундаментальной, частоте. Любой инструмент, играющий ля первой октавы, бóльшую часть звуковой энергии высвобождает в виде волн с фундаментальной частотой 440 Гц, на которые, однако, накладываются незначительные колебания с частотами 880 Гц, 1320 Гц и так далее. Такие призвуки называются гармониками, хотя это слово может сбивать с толку, поскольку понятие «гармония» относится к аккордам — сочетаниям из нескольких различимых нами нот. «Одиночная» нота, взятая на трубе, в действительности представляет собой смесь гармоник[33] — определенную смесь, которая является своего рода уникальной «подписью», отличающей трубу от, к примеру, играющей «ту же» ноту скрипки (со своей, свойственной только скрипке смесью гармоник). Есть и дополнительные усложнения, которые касаются начала звучания, — например, дребезжание от дрожания губ, знаменующее вступление трубы, или характерный посвист при касании струны смычком скрипки, — но я ими пренебрегу.