Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас - Гэвин Претор-Пинней

Ученые из Университета Рединга изучили акустические свойства Кэмстер-Раунд, неолитической коридорной гробницы на территории Шотландии, проанализировав на примере точной копии резонансные свойства сооружения. И выяснили: поскольку гробница выстроена как узкий коридор, ведущий в круглую камеру, вся постройка должна резонировать по типу бутылки. Такой тип резонанса наблюдается в резонаторе Гельмгольца — бутылке с горлышком, в которую дуют; воздух в бутылке расширяется и сжимается как одно целое, порождая звук. Ученые обнаружили, что камера устроена таким образом, чтобы резонировать по типу бутылки, производя звук внутри камеры (это гораздо более вероятно, нежели предположение о том, что молящиеся в каменном веке собирались у входа в камеру и старательно дули внутрь). Выполненная в определенном масштабе модель показала — резонанс внутри строения должен составлять 4-5 герц. Однако минуточку! Это ведь гораздо ниже диапазона человеческого голоса и, если уж на то пошло, диапазона тональности музыкальных инструментов. Звуки ниже 20 герц люди даже не слышат. Неужели стройная теория о том, что в каменном веке религиозные песни во время ритуалов заставляли камеру Кэмстер-Раунд резонировать, рассыпалась в пух и прах?

Но ученые так не думали. По их мнению, должен существовать способ, который позволяет наращивать звуковые вибрации даже при настолько малых частотах. Чистый тон состоит из колебаний давления, которые нашим ухом как звук не улавливаются. Только когда колебания следуют одно за другим непрерывно, наши барабанные перепонки вибрируют со скоростью более двадцати раз в секунду, и мы различаем ноту. Но при ударах в барабан со скоростью четыре-пять раз в секунду как раз и возникнут слышимые звуки, повторяющиеся с частотой 4-5 герц. Каждый такой удар вызывает звуковые волновые колебания (подобно колебаниям, из которых состоит чистый тон), однако за ударом следует реверберация кожи барабана — уж ее-то мы слышим.

Длинный курган Стоун и Литлтон эпохи неолита, найденный в Сомерсете, неподалеку от моего дома. Что, если он действовал по принципу резонирующей камеры, придававшей религиозным песнопениям большую звучность?

И, следовательно, слышим барабанную дробь со скоростью четыре раза в секунду, пусть даже такая частота недостаточна для того, чтобы наш мозг соединил удары в звук определенной высоты.

Между тем, пора бы выдвигаться с нашим барабаном прямиком в Шотландию.

Ученые собрали в погребальной камере аудиторию и принялись бить в барабан со скоростью четыре удара в секунду (частота в 4 герца). Слушавшая публика потом призналась, что во время барабанного боя у них возникли необычные ощущения — они почувствовали, будто звук определенным образом влияет на их пульс и дыхание. Некоторые говорили, что если бы барабанный бой длился дольше, у них участилось бы дыхание. А вот во время ударов такой же силы, но более медленных, от которых пространство не резонировало, таких жалоб было меньше.

Конечно, подобные ощущения — штука субъективная, однако когда ученые НАСА при конструировании ракеты изучали воздействие вибраций на человеческое тело, они обнаружили, что разные части тела взрослого человека резонируют на разных частотах. Отдельные внутренние органы на определенных частотах вибрировали интенсивнее, вызывая существенное «затормаживание жизненных функций организма и неприятные ощущения». И какова же резонансная частота человеческого туловища? Да точно такая, к какой пришли исследователи погребальной камеры в Кэмстер-Раунд, — 4-5 герц.

Может, люди эпохи неолита, ударяя в барабан и вызывая инфразвуковой резонанс, верили, что общаются с духами, божествами или предками? Исследования 1970-х годов показали, что на частоте 4-5 герц люди испытывают головокружение и в целом чувствуют себя нехорошо (вибрации нарастают, отзываясь во внутренних органах), но и впадают в сонливость, у них появляется ощущение, будто они раскачиваются и вот-вот упадут. Может, зодчие каменного века при проектировании строений учитывали их особые резонансные качества?

Что, если резонансный звук казался им звуком потустороннего мира, вызывал инфразвуковые колебания в их собственных телах и даже изменял их сознание? Интересно, а потревоженные соседи к их совести не взывали?

* * *

Вы когда-нибудь просыпались среди ночи в холодном поту, внезапно сознавая, что не имеете ни малейшего представления о том, что такое электромагнитная волна? Нет? Я — тоже. Но раз уж эти волны буквально повсюду, не мешает познакомиться с ними поближе.

От механических волн — волн звуковых и волн на поверхности воды — их отличает главным образом то, что они не зависят от физической среды, через которую распространяются.

Значит, придется нам пересмотреть свои представления о волне. Хотя… нелегко вообразить волну вне среды — чего-то такого, что перемещалось бы одновременно с распространением волны. Например, вы рассматриваете волны на воде. Рассуждать об океанической волне без воды, через которую она распространяется, попросту смешно. Ведь это механический тип волны — волна представляет собой перемещающуюся форму физического движения в определенной среде, в данном случае, в воде.

Зависимость звуковых волн от физической среды не столь очевидна, но ее вполне можно продемонстрировать. Волны давления, которые составляют звук, существуют только тогда, когда имеется физическая среда, через которую они распространяются, — будь то воздух, вода или стена между вами и вашим соседом, ярым фанатом хеви-метала. Не верите? Подвесьте маленький колокольчик внутри запечатанной стеклянной банки, откачайте из банки воздух вакуумным насосом (не сомневаюсь, что он у вас всегда под рукой) и потрясите этот вакуумный колпак. Вот вы и услышите (вернее, не услышите) доказательство.

Звуковые колебания, производимые колокольчиком в вакууме, ваших ушей не достигают. Вот почему, как поется в песне одной группы, «в космосе никто не услышит твой крик» или, если на то пошло, не услышит, как твой космический корабль взорвется. Грандиозные взрывы на просторах открытого космоса, которые так любят демонстрировать в фантастических фильмах, на самом деле сопровождались бы полнейшей тишиной — в открытом космосе недостаточно газообразного вещества для распространения волн сжатия-разрежения. Ну, а киношной братии для усиления эффекта эпизода межгалактического сражения я бы посоветовал ставить фортепианный аккомпанемент в стиле Чарли Чаплина.

Такая вот музыка сфер.

А волны электромагнитные, не в пример волнам механическим, распространяются в вакууме легко и просто. К примеру, Солнце мы пусть и не слышим, зато определенно видим и ощущаем. Если бы вместо колокольчика вы поместили в вакуумный колпак раскаленную добела нить накаливания, сразу увидели бы расходящиеся от нее световые волны. (Еще бы, ведь у вас получилась бы первая лампа накаливания с частичным разрежением — лишь позднее такие лампы стали заполнять инертными газами.)