Расплетая радугу. Наука, заблуждения и потребность изумляться

Если отбросить эти нюансы, у звука есть характерный тембр, окраска, делающая его трубным (или скрипичным, или каким угодно еще). Можно продемонстрировать, что тон любого музыкального инструмента, кажущийся нам одиночным, — это конструкция, сплетаемая нашим мозгом из совокупности различных синусоидальных волн. Сделаем следующее: выяснив, какие колебания участвуют в формировании, скажем, звука трубы, отберем соответствующие чистые, «камертонные» звуки и заставим их звучать одновременно. Вначале в течение недолгого времени вы будете слышать отдельные ноты — как бы аккорд из нескольких камертонов. А затем эти ноты каким-то сверхъестественным образом «схлопнутся» воедино, «камертоны» исчезнут — и вы услышите только то, что Китс назвал «пронзающими слух руладами трубачей»[34], звенящими на высоте основного тона. Другая комбинация «штрихкодовых» частот даст звучание кларнета, и вы снова сможете какое-то мгновение воспринимать их как отдельные «камертоны», пока ваш мозг не сведет их воедино в иллюзию характерного «хрустального» тембра этого инструмента. Свой собственный «звуковой штрихкод» есть и у скрипки… Ну и так далее.

Так вот, если вы посмотрите на график колебаний давления, возникающих, когда на скрипке берут какую-либо ноту, то увидите замысловатую извилистую кривую, которая повторяет свой рисунок с периодичностью, соответствующей фундаментальной частоте, но с дополнительными мелкими изгибами от более высоких наложенных частот. Дело в том, что разные синусоидальные волны, составляющие звук скрипки, суммировались и образовали эту сложную извилистую кривую. Можно написать компьютерную программу, раскладывающую любую запутанную, повторяющую свой узор кривую обратно на составляющие ее чистые волны — те отдельные синусоиды, из совокупности которых и возник этот замысловатый рисунок. По-видимому, слушая какой-либо музыкальный инструмент, вы производите нечто аналогичное подобным расчетам: сперва ухо расплетает звук на синусоидальные волновые компоненты, которые мозг затем снова сплетает воедино и навешивает подходящий ярлык — «труба», «гобой» или еще что-нибудь.

Однако наши способности к бессознательному расплетанию и сплетанию в действительности даже еще замечательнее. Вообразите, что происходит, когда вы слушаете целый оркестр. Представьте себе, как поверх звучания сотни инструментов сосед шепчет вам на ухо свои высокоумные критические замечания, кто-то при этом кашляет, а кто-то сзади — о ужас! — разворачивает шоколадку. Все эти звуки одновременно заставляют вибрировать вашу барабанную перепонку, сливаясь в единую волну перепадов давления, имеющую очень сложную форму. Мы знаем, что волна одна, поскольку весь оркестр и все посторонние шумы можно перевести в одну-единственную волнообразную бороздку на грампластинке или намагниченную с переменной интенсивностью дорожку магнитного порошка на пленке. Весь набор колебаний суммируется в одну извилистую кривую зависимости давления воздуха от времени, регистрируемую нашей барабанной перепонкой. Невероятно, но мозгу удается отделить шуршание фольги от шепота, кашель от хлопанья дверей и все инструменты оркестра друг от друга. Такое мастерство расплетания и сплетания, или анализа и синтеза, лежит почти за гранью правдоподобия, однако же мы совершаем эти виртуозные трюки не задумываясь, безо всяких усилий. Еще поразительнее летучие мыши: анализируя прерывистые очереди отраженных звуков, они воссоздают в своем мозге подробную и быстро меняющуюся трехмерную картину окружающего мира, включающую в себя и насекомых, которых они ловят на лету. Они даже умудряются не путать собственное эхо с эхом других летучих мышей.

Математический метод разложения сложных волнообразных кривых на синусоиды, которые затем снова можно объединить в исходную причудливую кривую, называется преобразованием Фурье — по имени Жозефа Фурье, французского математика XIX века. Этот метод подходит не только для звуковых волн (сам Фурье разработал его в совершенно других целях), но для любых периодических процессов — вовсе не обязательно таких же скоростных, как звук, или ультраскоростных, как свет. Мы можем рассматривать анализ Фурье как математический прием, применимый для расплетания «радуг» в тех случаях, когда колебания, образующие спектр, медленны по сравнению со световыми.