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.
В противоположность этому органы слуха у насекомых не маленькие барометры, а маленькие флюгера. Они в самом деле воспринимают молекулярный поток как ветер, пусть и очень странный ветер, который, едва лишь преодолеет очень небольшое расстояние, меняет свое направление на противоположное. Расширяющийся волновой фронт, который мы ощущаем благодаря изменениям давления, представляет собой также и волну локальных перемещений молекул: они перемещаются внутрь некой конкретной области, когда давление в ней повышается, и уходят обратно, когда оно снова падает. В то время как наши с вами уши-барометры снабжены перепонкой, ограничивающей замкнутое пространство, у «ушей»-флюгеров насекомых есть либо волосок, либо же мембрана, которая отгораживает камеру, имеющую отверстие. И тот, и другая в буквальном смысле колышутся на ветру, представляющем собой ритмичное перемещение молекул туда-сюда.
Выходит, для насекомых чувствовать направление звука обычное дело. Как любой дурак, у которого имеется флюгер, в состоянии отличить северный ветер от восточного, так и один-единственный орган слуха насекомого легко отличает колебания в направлении север юг от колебаний по оси восток запад. Определение направленности «встроено» в метод, используемый насекомыми для улавливания звуков. Барометры же так не умеют. Повышение давления это просто повышение давления, с какой бы стороны молекулы ни приходили. И потому нам, позвоночным, с нашими ушами-барометрами, приходится вычислять направление звука, сопоставляя информацию, получаемую от каждого уха, примерно так же, как мы вычисляем цвет, сопоставляя сигналы от разных типов колбочек. Мозг сравнивает громкость в одном и в другом ухе, а также отдельно время прибытия к ним звуков (особенно отрывистых). Некоторые звуки поддаются такому сопоставлению легче, чем другие. Высота и длительность трелей сверчка подобраны так искусно, что слуху позвоночных трудно определить, откуда они исходят, однако самки сверчков, с их «ушами»-флюгерами, летят на зов прямой наводкой. Порой стрекотание сверчков даже создает иллюзию (по крайней мере, в моем мозгу позвоночного), что сверчок в действительности сидящий неподвижно скачет вокруг, будто зажженная петарда.
Выходит, для насекомых чувствовать направление звука обычное дело. Как любой дурак, у которого имеется флюгер, в состоянии отличить северный ветер от восточного, так и один-единственный орган слуха насекомого легко отличает колебания в направлении север юг от колебаний по оси восток запад. Определение направленности «встроено» в метод, используемый насекомыми для улавливания звуков. Барометры же так не умеют. Повышение давления это просто повышение давления, с какой бы стороны молекулы ни приходили. И потому нам, позвоночным, с нашими ушами-барометрами, приходится вычислять направление звука, сопоставляя информацию, получаемую от каждого уха, примерно так же, как мы вычисляем цвет, сопоставляя сигналы от разных типов колбочек. Мозг сравнивает громкость в одном и в другом ухе, а также отдельно время прибытия к ним звуков (особенно отрывистых). Некоторые звуки поддаются такому сопоставлению легче, чем другие. Высота и длительность трелей сверчка подобраны так искусно, что слуху позвоночных трудно определить, откуда они исходят, однако самки сверчков, с их «ушами»-флюгерами, летят на зов прямой наводкой. Порой стрекотание сверчков даже создает иллюзию (по крайней мере, в моем мозгу позвоночного), что сверчок в действительности сидящий неподвижно скачет вокруг, будто зажженная петарда.
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.
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.