Расплетая радугу. Наука, заблуждения и потребность изумляться - Ричард Докинз

Великий индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар сказал в лекции, прочитанной в 1975 году:

Насколько честнее это звучит по сравнению с более известным высказыванием Китса, выражающим внешне сходные чувства:

Китсу с Лэмом следовало бы поднять свои бокалы и за поэзию, и за математику, и за поэзию математики. Вордсворта не пришлось бы уговаривать. Он (как и Кольридж) вдохновлялся шотландским поэтом Джеймсом Томсоном и, вероятно, помнил его стихотворение «Памяти сэра Исаака Ньютона» (1727 г.):

«В эфире» для современного человека означает «по радио». Однако радиоволны не имеют отношения к эфиру — ни к гипотетическому, ни к химическому: это невидимое излучение с большими длинами волн. А вот звуку нужна среда для распространения. Эта глава будет о звуке и о других медленных волнах, которые тоже можно расплести, как радугу. Звуковые волны распространяются примерно в миллион раз медленнее света (или радиоволн), будучи немного более быстрыми, чем «Боинг-747», но уступая по скорости «Конкорду». В отличие от света и прочих разновидностей электромагнитного излучения, которые лучше всего распространяются в вакууме, звуковые волны нуждаются в материальном посреднике, таком как воздух или вода. Это волны сжатия — растяжения (иначе говоря, уплотнения — разрежения) среды. Если речь идет о воздухе, то это означает локальные колебания атмосферного давления. Наше ухо представляет собой миниатюрный барометр, способный улавливать быстрые и ритмичные перемены давления. А у насекомых принцип действия органов слуха совершенно иной. Чтобы понять, в чем разница, нам понадобится сделать небольшое отступление и разобраться, что же такое давление на самом деле.

Если мы, к примеру, перекроем рукой выходное отверстие велосипедного насоса, то наша кожа почувствует давление как энергичный напор. В действительности же давление — это совокупность ударов, производимых тысячами молекул воздуха, которые носятся туда-сюда в случайных направлениях (этим давление отличается от ветра — там они перемещаются преимущественно в какую-то одну сторону). Если вы направите ладонь против сильного ветра, то почувствуете нечто равнозначное давлению: бомбардировку молекулами. В замкнутом пространстве — например, внутри надутой велосипедной камеры — молекулы воздуха давят на стенки с силой, пропорциональной количеству молекул и температуре. При любой температуре выше –273 °C (это самая низкая возможная температура, соответствующая полной неподвижности молекул) молекулы находятся в беспрерывном хаотичном движении, отскакивая друг от друга, как бильярдные шары. При этом сталкиваются они не только между собой, но и с внутренней стороной стенок камеры, которые «ощущают» это как давление. Кроме того, чем горячее воздух, тем стремительнее носятся молекулы (в этом и состоит смысл понятия «температура»), так что давление заданного объема воздуха при нагревании возрастает. Аналогичным образом температура определенного количества воздуха возрастает, если его сжимать, то есть увеличивать давление за счет уменьшения объема.

Звук — это волны колеблющихся изменений локального давления. Давление, скажем, в герметизированной комнате определяется общим числом находящихся в ней молекул и температурой, а эти параметры в краткосрочной перспективе неизменны. Каждый кубический сантиметр объема данной комнаты будет в среднем содержать столько же молекул, сколько и любой другой, и, следовательно, иметь такое же давление. Но это не мешает возникновению локальных колебаний. В кубическом сантиметре А может произойти кратковременное повышение давления за счет кубического сантиметра Б, если тот ненадолго поделится с ним частью своих молекул. Возросшее давление внутри А будет способствовать выталкиванию молекул обратно в Б, что приведет к восстановлению равновесия. Ветер представляет собой ровно то же самое — поток воздуха из области с высоким давлением в область низкого, — только в гораздо более крупном, географическом, масштабе. А в меньшем масштабе подобным образом возникают звуки, но в отличие от ветра их колебания туда-обратно совершаются очень быстро.

Если посреди комнаты ударить по камертону, то его вибрация потревожит ближайшие молекулы воздуха, заставляя их ударяться о своих соседок. Камертон колеблется с определенной частотой, распространяя вокруг себя волны возмущения — череду расширяющихся сфер. Каждый волновой фронт представляет собой область повышенного давления, вслед за которой располагается зона разреженного воздуха. Затем, через промежуток времени, определяемый частотой колебаний камертона, надвигается новый волновой фронт. Если где-нибудь в комнате установить крошечный и необычайно быстродействующий барометр, то при прохождении каждого волнового фронта измерительная стрелка будет взлетать, а затем падать. Частота колебаний стрелки такого барометра равнялась бы частоте звука. Ухо позвоночных представляет собой не что иное, как быстродействующий барометр. Барабанная перепонка отклоняется туда-сюда под воздействием достигающих ее колебаний давления. Она соединена (посредством трех крохотных косточек — знаменитых молоточка, наковальни и стремечка, — обособившихся в процессе эволюции из костей задней части челюсти рептилий) со своеобразной миниатюрной «арфой наоборот», которая называется улиткой. Как и у арфы, «струны» улитки располагаются поперек каркаса, сужающегося к одному из концов. На узком конце «струны» вибрируют в резонанс с высокими звуками, а на широком — с низкими. От улитки на всем ее протяжении отходят нервы, направляющиеся к головному мозгу в строго определенном порядке, — мозг, таким образом, может различить, какой звук — высокий или низкий — колеблет барабанную перепонку.