Расплетая радугу: наука, заблуждения и тяга к чудесам

Ощущать направление звука, поэтому — вторая натура насекомых. Любой дурак с флюгером сможет отличить северный ветер от восточного, и одно ухо насекомого может легко отличить северо-южные колебания, от колебаний восточно-западных. Направленность встроена в метод обнаружения звука насекомыми. Барометры не таковы. Повышение давления — это просто повышение давления, и не имеет значения с какого направления прибыли дополнительные молекулы. Поэтому мы, позвоночные с барометрическими ушами, должны вычислять направление звука, сравнивая сообщения от двух ушей, в значительной мере схоже с вычислениями нами цвета с помощью сравнивая сообщений от разных классов колбочек. Мозг сравнивает громкость на двух ушах и отдельно он сравнивает время появления звуков (особенно отрывистых звуков) на двух ушах. Некоторые виды звуков поддаются такому сравнению в меньшей мере, чем другие. Песня кузнечика имеет такой замысловатый мотив и ритм, что ушам позвоночных трудно определить направление, но самкам кузнечиков просто, с их ушами-флюгерами, нацелится на него. Стрекот некоторых кузнечиков даже создаёт иллюзию, как минимум для моего мозга позвоночного, что (на самом деле неподвижный) кузнечик скачет вокруг, как прыгающая петарда.

Звуковые волны формируют спектр длин волн, аналогичный радуге. Звуковая радуга также может быть расплетена, поэтому возможно разобраться в звуках вообще. Также, как наше ощущение цвета — ярлыки, которые мозг лепит на свет различный длин волн, аналогичные внутренние ярлыки используются для звуков различной высоты. Но звук это нечто большее, чем просто высота тона, и поэтому здесь расплетение особенно уместно.

Камертон, или стеклянная гармоника (инструмент, обожаемый Моцартом, сделанный из стеклянных чаш, настраиваемых глубиной содержащейся в них воды, на котором играют, водя смоченным пальцем по ободу стакана) издает кристально чистый звук. Физики называют это синусоидальными волнами. Синусоидальные волны — простейший вид волн, нечто вроде теоретически идеальных волн. Плавная кривая проходящая вдоль верёвки, когда вы покачиваете один её конец вверх и вниз — более, или менее синусоидальная волна, хотя, конечно же, значительно меньшей частоты, чем звук. Большинство звуков не просто синусоидальные волны, а более заострённые и сложные, как мы увидим далее. В настоящий момент мы будем представлять себе камертон или стеклянную гармонику издающими плавные, криволинейные волны изменения давления, стремительно распространяющиеся от источника концентрически расширяющимися сферами. Барометрическое ухо, помещенное в одном месте, обнаруживает плавное увеличение давления, сопровождаемое плавным уменьшением, ритмичные колебания без изломов или виляний кривой. С каждым удвоением частоты (или уменьшением вдвое длины волны, что одно и то же) мы слышим переход на одну октаву. Очень низкие частоты, самые низкие тоны органа, содрогают наши тела и едва слышатся нашими ушами вообще. Самые высокие частоты не слышны людям (особенно пожилым людям), но слышны летучим мышам, и используются ими в форме эха, чтобы отыскать дорогу. Это одна из увлекательнейших историй во всем естествознании, но я посвятил ей целую главу в «Слепом Часовщике», поэтому воздержусь от искушения изложить ее.

За исключением камертонов и стеклянных гармоник, чистые синусоидальные волны — в значительной степени математическая абстракция. Реальные звуки представляют собой главным образом более сложные смеси, и они вполне вознаграждают расплетение. Наши мозги расплетают их на удивление легко и просто. Только с большим трудом наше математическое понимание догоняет то, что происходит, неумело и не полностью, что наши уши с детства без труда расплетали, а наши мозги сплетали снова.

Предположим, что мы извлекаем звук из одного камертона с частотой колебаний 440 циклов в секунду или 440 герц (Гц). Мы услышим чистый тон, ля первой октавы. Каково различие между ним и тем же ля, сыгранным на скрипке, кларнете, тем же ля, сыгранным на гобое, флейте? Ответ в том, что каждый инструмент примешивает волны, частоты которых представляют собой различные гармонические составляющие основной частоты. Любой инструмент, играя ля первой октавы, произведет большую часть своей звуковой энергии на основной частоте 440 гц, но будут добавлены следовые количества вибрации в 880 гц, 1320 гц и так далее. Их называют гармониками, хотя слово может сбивать с толку, так как «harmonies» [лады] — аккорды нескольких нот, которые мы слышим как различные. «Отдельная» нота трубы — фактически смесь гармоник, особая комбинация, служащая своего рода характерным признаком трубы, который отличает ее, скажем, от скрипки при игре «одной и той же» ноты (с различными, характерными для скрипки гармониками). Есть дополнительные сложности, которыми я буду пренебрегать, касающиеся начала звуков, например вмешательство губ в звуки трубы или визг, когда смычок скрипки ударяет по струне.