Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

ВТОРАЯ ВОЛНА, КОТОРАЯ НАПОЛНЯЕТ НАШ МИР МУЗЫКОЙ

Как сказал поэт Оливер Уэнделл Холмс-старший:

Произнесенное слово, и вообще любой звук, является слышимой акустической волной. Я подчеркиваю: «слышимой», потому что большинство акустических волн, как это ни парадоксально, не слышны.

Вообще «акустической» можно назвать абсолютно любую волну, которая через что-то проходит, — неважно, твердое это «что-то», жидкое или газообразное — благодаря тому, что это самое «что-то» сжимается и расширяется. Акустические волны отличаются от волн на поверхности воды довольно сильно. Когда приближается гребень акустической волны, вещество, через которое волна проходит, сжимается — возникает область повышенного давления, или плотности. Когда приближается подошва акустической волны, вещество, через которое волна проходит, наоборот, расширяется — возникает область пониженного давления или разрежения, то есть вещество становится не таким плотным, как до этого. Другими словами, среда не поднимается и опускается, как это происходит во время распространения волн через морскую воду, а лишь смещается взад-вперед. Поэтому акустические волны принадлежат к типу продольных волн. Физические движения среды напоминают волнообразные мышечные движения дождевого червя, который вытягивается и сжимается, медленно продвигаясь в почве.

Так в чем же разница между акустическими волнами, которые мы слышим, и акустическими волнами, которые мы не слышим? Дело в том, что слышим мы эти волны только тогда, когда наших ушей достигает целый ряд акустических волн. Иными словами, волна должна быть периодической. Единичное колебание атмосферного давления — одинокий гребень продольной волны — как звук не воспринимается.[17] Но есть еще одно необходимое условие, которое должно быть соблюдено, чтобы акустическую волну было слышно — волна должна колебаться с определенной частотой. Проходящая через воздух в наших ушах волна давления должна заставить барабанные перепонки колебаться с частотой от 20 до 20 000 колебаний в секунду — только тогда звук можно услышать. Колебания медленные, низкочастотные воспринимаются нами как низкие звуки; колебания быстрые, высокочастотные — как высокие. За пределами этого диапазона можете говорить хоть до посинения, только вас никто не услышит.

Нам доступна лишь малая часть всех акустических волн — большую часть последовательностей из сжатий и разрежений наше ухо не воспринимает. Близки к человеческому слуховому порогу низкие инфразвуковые частоты, на которых общаются слоны, находясь далеко друг от друга, а также высокие ультразвуковые частоты, которые используют летучие мыши и дельфины при ориентировании с помощью эхолокации. Эти акустические волны, хотя и вызывают колебания наших барабанных перепонок, ничего для нас не значат.

Например, вы машете рукой кому-то на прощание; хотя ваша рука при этом ни единого звука не издает, акустические волны она порождает. Движения руки вызывают сжатие и разрежение воздуха. Эти локальные перепады атмосферного давления распространяются вовне как акустические волны. Звуковыми мы их не называем — ведь взмахи нам не слышны. Сей факт сыграл роковую роль в судьбе одного бедняги из стихотворения поэтессы Стиви Смит: тонущий посреди прибойных волн безуспешно пытается привлечь к себе внимание загорающих на пляже:

Вы можете подумать: взмахи рукой не слышны, потому что не так уж сильно меняют атмосферное давление, чтобы барабанные перепонки колебания уловили. Но наши барабанные перепонки — штука довольно чувствительная. И если в наружный слуховой канал попадают вызванные перепадами атмосферного давления колебания с определенной частотой, мы слышим их как звук. Даже если перепады эти — вверх-вниз — составляют не больше 0,01%. На самом деле причина «немоты» руки, которой вы машете — вовсе не в объемах сжимающегося и разрежающегося воздуха, а в скорости распространения перепадов давления. Их не слышно только лишь потому, что вы недостаточно быстро машете.

Взять, к примеру, широкие взмахи руки из стороны в сторону и едва заметные взмахи пчелиных крылышек. Жужжание пчелы, подлетающей к вашей компании на пикнике, вы слышите отчетливо — пчела машет крылышками с частотой около 180 раз в секунду. То есть с частотой 180 герц; эта величина названа по имени жившего в девятнадцатом веке немецкого физика Генриха Герца, который впервые доказал существование радиоволн. Итак, пчела возвращается в улей, чтобы поведать о точном местонахождении моего пирога с заварным кремом — ползая среди своих товарок, она принимается вилять брюшком. Ее движения при этом еще менее заметны, чем взмахи крылышек, к тому же частота их повышается до 500 герц.^{38} Однако возникающие в результате этих невероятно малых колебаний давления акустические волны слышны довольно четко — они находятся в пределах того самого частотного диапазона (от 20 до 20 000 герц), что доступен нашему слуху. Взмахи крылышек и виляния брюшком вызывают колебания атмосферного давления постоянной частоты — мы даже слышим их, как музыкальные ноты. Чем выше периодичность последовательностей из гребней высокого давления, достигающих нашего уха, тем отчетливей мы различаем в них музыку. Пасечник с абсолютным слухом слышит в более громком жужжании виляющей брюшком пчелы ноту «си». На фортепиано это нота «си» первой октавы.

Пожалуй, хорошо, что наши барабанные перепонки обладают такой чувствительностью: ведь суммарная мощность от звуковых волн, порождаемых играющим в полную силу оркестром, равна мощности, потребляемой одной-единственной лампочкой накаливания в 100 Вт^{39}. Кстати, стоит помнить, что путь от оркестровой ямы до нашего кресла в зале проделывает не сам воздух — воздух, в общем и целом, остается там, где и был. До нас же доходит энергия в виде локальных колебаний воздуха. Получается, мы слышим вовсе не истинный «ветер» Моцарта.

Устройство нашего слухового аппарата тоже довольно замысловато, ведь звуковые волны от каждого музыкального инструмента проплывают через весь концертный зал и достигают нас, уже слившись в одно целое. Иначе невозможно, потому как все волны распространяются через одну и ту же воздушную среду, которая в каждый момент времени в каждой точке пространства способна сжаться или расшириться единожды. Поэтому волны объединяются в одну цепь колебаний, сложную последовательность из сжатий и разрежений, которая воздействует на наши барабанные перепонки — перепонки начинают колебаться в соответствии с ними. Наш мозг способен распутать эту хаотическую последовательность колебании — мы расшифровываем микроскопические движения тонюсенькой, всего около 6 мм в поперечнике и около 0,05 мм толщиной, пленки кожи настолько точно, что слышим даже кашель второй скрипки в середине второй части произведения. Разве это не истинное чудо?

Итак, мы не видим звук как волну. Однако его «волнообразность» от этого меньше не становится. Наоборот, звуковые колебания ведут себя в точности как классические волны. В частности, ловко демонстрируют три способа изменения волнового направления: отражение, рефракцию и дифракцию.

Последние два, рефракция и дифракция, уж больно смахивают на абракадабру, придуманную сухарями-физиками — вполне возможно, так оно и есть. Но не стоит впадать в тоску раньше времени. Благодаря проявлениям свойств этих вездесущих волн мы постигаем мир. Разобравшись в их свойствах, вы овладеете всеми тонкостями наблюдения за волнами.

Мои домашние уже успели проникнуться к отражению, рефракции и дифракции известной долей уважения; отныне они называют эти явления не иначе как «Законы волны».

Начнем с отражения. Первый закон волны прост:

Ну да, на открытие века не тянет. Однако выяснилось следующее: отскакивают волны в манере, гораздо более замысловатой, нежели мяч на площадке для игры в сквош, — вам такое и не снилось.

Кстати, именно тот факт, что звук отскакивает от стен, порождая эхо, впервые побудил мыслителей древности задуматься: а ведь звук вполне может иметь нечто общее с волнами на воде. Например, в конце I в. до н.э. римский архитектор Марк Витрувий Поллион (более известный как просто Витрувий), размышляя о необходимости учитывать при проектировании театров отражение звука, предположил, что «голос же есть текучая струя воздуха», и она «соприкасаясь со слухом, ощущается им. Голос двигается по бесконечно расширяющимся окружностям, подобно тем бесчисленным кругам волн, какие возникают на спокойной воде, если бросить в нее камень…»^{40}

Поскольку рябь отражается от стенок ванны, повторяя при этом свой путь в обратном направлении, вполне логично предположить, что и звук отражается от стен театра, поскольку также является волной. Конечно, описание Витрувием звука как «текучей струи воздуха» было неверным в той же степени, в какой было неверно и представление о том, что во время исполнения произведения Моцарта до нас доносится истинное звучание музыки композитора. Когда на вас сердито прикрикнут через всю комнату, до вас доносится заряд гнева, но никак не порыв ветра. Звуковые волны именно что проходят через воздух, они не вызывают его смещения как такового. Тем не менее, сравнение Витрувием звуковых волн с морскими возникло не на пустом месте. Поскольку звуки остаются для нас невидимыми, мы судим об их волновой сущности не по внешнему виду, а исходя из их поведения.

Живший в XVII в. в Германии иезуитский монах и ученый-энциклопедист Атанасиус Кирхер интересовался таким природным феноменом, как эхо. Кирхер владел десятками языков, включая китайский и коптский, его многотомное наследие включает трактаты по геологии, оптике, астрономии и акустике. Он по праву мог бы считаться святым покровителем профсоюзных деятелей — это он изобрел мегафон.

В своем труде Phonurgia Nova, опубликованном в 1673 году, Кирхер описал эксперимент, в котором человек, стоя напротив ряда примыкающих к стене перегородок, произносит слово. Кирхер снабдил описание рисунком: выступающие из стены под прямым углом перегородки отстоят от человека на разном расстоянии. По мере того как звук отражался от каждой последующей перегородки, эхо возвращалось все с большим и большим запаздыванием. Выкрикивая итальянское слово clamore, означающее «крик», Кирхер обнаружил, что с каждым возвращающимся эхом оно все более укорачивается: -amore, -ore, -re. Дело в том, что каждое последующее эхо, запаздывая чуть сильнее предшествующего, возвращается в укороченном виде и накладывается на слово, в то время как его произносят до конца. По чистой случайности каждая часть слова clamore имеет в итальянском и самостоятельное значение: «любовь», «время», «король».

О значении такой словесной игры можно только догадываться, но я уверен, что загадывание слов, эхо которых обладает самостоятельным значением, снискало бы популярность в качестве салонной игры. Правда, при условии, что салон представляет собой пещеру необъятных размеров.

В пещере любая произнесенная вами фраза будет отскакивать от стен, возвращаясь обратно; однако лишь при достаточной величине помещения вы заметите отголоски эха. В небольшой пещере звук будет накладываться на произносимое вами слово полностью, и никакого эха вы не услышите. Почти одновременное отражение звука в замкнутом пространстве известно как реверберация, оно является частью описываемой нами акустики пространства. Основываясь на характере обусловленного отражениями звука, мы и строим догадки об окружающем нас пространстве.

Похоже, моя дочь научилась говорить с помощью эха. В полтора года она норовила повторять все, что слышала. Если, забираясь в игрушечный домик дочки, я приветствовал ее с преувеличенной напыщенностью: «Вы, должно быть, Флора? Премного о вас наслышан. Рад, что мы, наконец, познакомимся», она радостно трясла протянутую мной руку и отвечала: «…познакомимся».

Какое-то время дочка здорово напоминала мне Эхо, нимфу из древнегреческой мифологии, которая, как писал Овидий, «на слова не могла не ответить, но не умела начать»^{41} А все из-за Геры, вечно недовольной супруги Зевса — именно Гера «наградила» Эхо этим довольно неприятным речевым дефектом. Впрочем, Геру можно понять — поведение Эхо, покрывавшей других нимф, тайно вступавших в связь с Зевсом, ее вконец разозлило. Поскольку Эхо обыкновенно занимала Геру долгими разговорами, во время которых нимфы успевали скрыться, Гера в наказание отняла у Эхо способность говорить — нимфа могла лишь повторять последние обращенные к ней слова. Должно быть, как-то утром нимфы проснулись и обнаружили, что их подруга превратилась в ту, что вечно докучает, пытаясь закончить… предложения… за других.

И вот, будучи не в состоянии завести беседу с невероятно красивым юношей Нарциссом, к которому испытывала неодолимое влечение, Эхо могла лишь следовать за ним, прячась в тени. Страстное чувство жгло ее изнутри; она лишь надеялась, что однажды, когда они останутся наедине, юноша скажет что-нибудь, что она сможет повторить.

В конце концов, ей представилась такая возможность — отставший от друзей Нарцисс позвал: «Здесь кто-нибудь есть?»

Эхо с готовностью подхватила: «…есть»; она его как будто поддразнивала. И ее уловка неожиданно возымела действие — Нарцисс захотел узнать, кому принадлежит этот загадочный голос.

«Послушай, может, познакомимся?» — выкрикнул он. «…познакомимся», — ответила она, радуясь такому удачному обороту. Но затем совершила ошибку, распространенную в делах любовных — слишком рано открылась.

Выбежав из укромного места среди деревьев, Эхо бросилась к Нарциссу, обвив руками его шею. По словам Овидия, ничего хорошего из этого не вышло:

Несчастная Эхо! Такая нелепая ошибка обычно свойственна прыщавым юнцам, впервые попавшим на вечеринку. Нимфа до того страдала, что начала таять на глазах, пока от нее не остался один лишь голос. Могу представить, каково ей было. Вот сейчас пишу, а у самого слезы на глаза наворачиваются.

Помнится, я обещал разъяснить, почему процесс отражения волн — штука довольно сложная, и что отскакивающий мячик в качестве аналогии не подойдет. А вот почему: отражаясь, волны разделяются, поскольку они представляют собой перемещающуюся энергию, нет ничего удивительного в том, что они расщепляются: часть энергии направляется в одну сторону, часть — в другую. Волны легко разделяются на волны поменьше; это происходит всякий раз, как они отскакивают, ой, простите, отражаются от какой-либо поверхности.

Когда проходящая через одну среду волна достигает ее границы и попадает в среду с существенно иными свойствами, часть ее энергии отражается. Другая часть пересекает границу, то есть продолжает путь в другой среде. Иначе происходит с мячом, который ударяется о штангу. Мяч, конечно же, сообщает часть энергии штанге, отлетая от нее рикошетом, но предположение, что часть мяча при этом отскакивает обратно на поле, а другая продолжает путь через штангу, нелепо. Однако если бы такая ситуация имела смысл, не хотел бы я судить на том матче. Впрочем, процесс частичного отражения-поглощения вы часто видите. Вернее, слышите, поскольку он связан со звуковыми волнами.

Скажем, вы нежитесь в ванне, а ваша благоверная докучает вам подробностями своего рабочего дня. Вы уже устали ее слушать и с радостью ушли бы под воду с головой, хотя бы на несколько секунд. Если вы так и сделаете, заметите: в то время как большая часть ее утомительного пересказа отражается от воды, некоторая часть ваших ушей все же достигает. Пусть неприятные шипящие звуки до вас уже не доходят, вы все равно слышите монотонное бормотание на низкой частоте — оно проникает через воду, давя на ваши барабанные перепонки. Так что и вода не спасает — вы все равно слышите приглушенные жалобы на начальника отдела маркетинга, который всем на нервы действует.

Такому распространенному свойству звуковых волн, как частичное отражение, нашлось важное применение в военном деле. Работающая в активном режиме гидроакустическая система одной подводной лодки, используемая для обнаружения точных координат другой подводной лодки, испускает звуковой импульс и анализирует отражающееся эхо. Направление эха и длительность запаздывания, пока волны идут туда и обратно, указывает на местонахождение вражеской подлодки. Однако трудность в том, что не вся энергия звуковых волн отражается от корпуса неприятеля. Некоторая ее часть, достигая границы между водой и стальным корпусом, проходит дальше — через металл. Неприятель, имея соответствующее оборудование, может звуковой импульс засечь. Вот почему военные подлодки переключают свои гидроакустические системы в режим активной работы лишь при острой надобности.

Но такое явление, как отражение волн, задействуется и в мирных целях. Например, благодаря свойству частичного отражения и передачи волны проникают глубоко в человеческое тело, на чем и основывается процедура ультразвукового обследования.

Хотя границы между мягкими тканями человеческого организма не так четко выражены, как границы между костью и мышечной тканью, они, тем не менее, отражают часть ультразвуковых волн, посылаемых аппаратом, — в итоге врач получает ультразвуковую картину определенной области организма. Ультразвуковой сканер, своего рода высокочастотный гидроакустический мини-комплекс, посылает звуковые импульсы, в сотни раз превышающие доступный нашему уху частотный диапазон. Каждой ткани тела свойственна своя плотность, и на границе двух тканей часть волны отражается в виде эха.

Промежуток времени между отражениями эха от одной и другой границы обозначает расстояние до границы, а интенсивность звуковой волны обозначает ее четкость — например, граница это между мышечной тканью и костью или между двумя мягкими тканями. Способность волны проходить через любую преграду позволяет специалисту «проникнуть» глубоко внутрь организма. Отражение от одной границы дает возможность составить представление о состоянии организма на поверхностном уровне, в то время как проходящие дальше волны позволяют судить о процессах на более глубоких уровнях.

Датчик, испускающий звуковой сигнал и воспринимающий эхо, имеет резиновое покрытие, которое по плотности приближается к человеческой коже. Когда предварительно обработанный гелем датчик прикладывают к определенному месту, лишь незначительное количество энергии успевает отразиться до того, как сигнал проникает в тело. Волны идут из датчика через гель и далее под кожу; изменение плотности среды на этом этапе минимально.

Сказав, что «волны при встрече с препятствием отскакивают», вы тем самым дадите понять, что Первый закон волны всех аспектов различия между отражающейся волной и отскакивающим мячом не охватывает. И окажетесь правы. Наблюдатели за волнами сродни мыслителям; размышления о том, каким образом волны «отскакивают», раскрывают перед ними основополагающую истину: волны — это энергия, проходящая через предметы. Отдельно, сами по себе, волны не существуют.

Рефракция, Второй закон волны, заключается в следующем:

Знаю-знаю — факт еще более очевидный, чем тот, что волны отскакивают от препятствий.

Тем не менее, это одна из фундаментальных характеристик волн. И вообще, рефракция — фокус, который есть в арсенале у каждой мало-мальски уважающей себя волны.

Чтобы волна изменила направление именно так, а не иначе, необходимы два условия: во-первых, волна должна подойти к границе двух сред не «в лоб», а под определенным углом; во-вторых, скорость распространения волны через одну среду должна отличаться от скорости ее распространения через другую. Если волна входит под непрямым углом в среду, где ее скорость меньше, ее поведение слегка меняется. Если же волна входит в среду, где ее скорость больше, она опять же ведет себя иначе.

Звук изменяет направление движения все время, хотя в общем и целом мы этого не замечаем. Скорость звука довольно сильно зависит от среды распространения. Возможно, вам это покажется удивительным, особенно в свете всеобщих разговоров о «скорости звука», величине как будто постоянной, например, около 1191 км/ч, которую впервые развил в 1947 году американский летчик-испытатель Чарльз Йигер на самолете Х-1. Однако скорость звука, конечно же, не есть величина постоянная.

Например, в воздухе скорость звуковой волны в значительной степени зависит от температуры. При температуре 0° С волна распространяется со скоростью 1 191 км/ч. Однако при комнатной температуре + 23,5° С голос диктора из новостной передачи достигает ваших ушей, распространяясь со скоростью около 1 239 км/ч. Происходит так потому, что независимо от объема воздуха скорость, с которой перепады давления идут из одной области в другую, зависит от скорости движения молекул. А чем выше температура газообразной среды, тем выше скорость движения молекул в ней.

В жидкостях звук перемещается еще быстрее, нежели в газообразных средах. На первый взгляд, такое утверждение противоречит здравому смыслу, ведь вода должна оказывать большее сопротивление, нежели воздух. Однако сопротивление возникает только в том случае, когда через водную среду продвигается отдельный предмет, искажая ее по мере продвижения. В случае же со звуковыми волнами все происходит иначе. Когда звук распространяется через среду, его продвижение обусловлено собственными колебаниями этой самой среды. Одни молекулы сталкиваются с другими, другие — с третьими и так далее. Поскольку плотность расположения молекул в жидкости выше плотности расположения молекул в газе, колебания — а это и есть звуковые волны — перемещаются быстрее в жидкости.

Например, в морской воде с температурой + 25° С звуковые волны перемещаются со скоростью 5 520 км/ч, то есть почти в четыре раза быстрее, чем в воздушной среде. При повышении температуры волны понесутся еще стремительнее. Вот почему периодически проводимые эксперименты с точными замерами времени, за которое звук прошел под водой от источника на одном краю океана до микрофона на другом, позволяют ученым составить представление об изменениях температуры океана из десятилетия в десятилетие. На скорость звука, проходящего через любую жидкую среду, влияет также плотность этой среды и сила ее сопротивления сжатию.

Большинство твердых тел, у которых связи между молекулами довольно прочные, подвержены сжатию еще меньше, чем жидкости. Благодаря этим прочным связям разница в давлении передается из одной части твердого тела в другую еще быстрее, чем в жидкости. Чем прочнее структура вещества, тем звуковые волны распространяются быстрее: до 11 667 км/ч в золоте и до немыслимых 43 199 км/ч в алмазе.

Но какое отношение все эти запредельные скорости имеют к тому, каким образом звуковые волны «меняют направление движения, переходя из одной среды в другую»? А такое — волны меняют направление при смене скорости. Если волна достигает границы разных сред под непрямым углом, конец звукового луча, достигающий границы первым, меняет скорость на входе в новую среду раньше остальной части луча. В новой среде он либо ускоряется, либо замедляется, но в любом случае направление распространения волны становится другим.

Чтобы убедиться в этом на наглядном примере, вообразим ситуацию: посреди пустыни терпит крушение космический корабль. Из корабля выбирается группа пришельцев и отправляется на поиски ближайшего «Макдоналдса». После удара корабля о землю пришельцы, ясное дело, немного не в себе, более того — они плохо видят, потому что привыкли у себя на родной планете к другой длине световой волны. И вот пришельцы берутся за руки, вернее, присоски (или что там у них вместо рук), и, растянувшись цепочкой, ковыляют по прямой, стараясь не слишком привлекать внимание.

Увязающим в песке пришельцам идти по твердой поверхности гораздо сподручнее, и когда они, наконец, выбираются к дороге, первый же ступающий на нее зеленый человечек с непривычки чуть ускоряется. Поскольку они подходят к асфальту под непрямым углом, то оказываются на нем кто раньше, кто позже. Те человечки, которые оказываются на асфальте первыми, начинают идти быстрее, в то время как остальные все еще еле переставляют ноги-присоски, увязая в песке. Так как группа держится друг за друга руками-присосками, вся их цепь слегка скругляется — выходя на асфальт в полном составе, они передвигаются уже в несколько ином направлении. Конечно, сами пришельцы этого не замечают — они в это время с жаром спорят, выясняя, кто же не нажал вовремя на тормоз. Когда они сходят с асфальта снова на песок, происходит обратное — тот, кто оказывается на песке первым, замедляет шаг, утягивая своих товарищей уже в обратную сторону. Как только все пришельцы оказываются на песке, они продолжают двигаться в изначальном, рассчитанном по компасу направлении.

Таков принцип рефракции. В случае со звуковыми волнами приближающаяся область более высокого давления, или фронт волны, ведет себя на манер пререкающихся зеленых человечков. Достигая границы со средой, при прохождении через которую ее скорость замедляется, она меняет направление — совсем как те пришельцы. При условии приближения волны к границе под непрямым углом, а не «в лоб», один ее конец замедляется раньше, чем остальная часть волны пересечет границу, и начинает скруглять фронт волны до определенной точки в противоположном направлении. Как только гребень границу пересекает, волна начинает двигаться в несколько ином направлении. Направление движения вновь меняется — в обратную сторону, — когда звуковая волна входит в среду, где ее движение ускоряется. Само собой, звуковые волны не являются предметами, которые перемещаются в воздухе или по земле вроде тех ковыляющих инопланетян, — они представляют собой последовательности из сжатий и разрежений, вызванных колебаниями среды. Ну и серебристых скафандров на них, понятное дело, тоже нет.

Вы заметили, что в тумане звук распространяется дальше? К примеру, вы отчетливо слышите отдаленный смех. Или колокольный звон, который обычно до вас не доносится. Мне всегда нравилось прогуливаться в тумане — когда при этом слышишь звуки, кажется, что они долетают из потустороннего мира. На самом деле причина не в самом тумане — висящие в воздухе крошечные капельки воды слишком малы, чтобы влиять на звук. Влияет на него температура воздуха возле поверхности земли, которая и приводит к образованию тумана; именно благодаря ей перезвон церковных колоколов разносится далеко по округе.

Температура воздуха в процессе подъема меняется, что сказывается на отражении звуковых волн — через теплый воздух они распространяются быстрее, нежели через холодный. Обычно с набором высоты температура понижается, из-за чего звуковые волны отражаются вверх, уходя от земли по кривой траектории. Поскольку звуковая волна колокольного звона искривляется вверх, она в конце концов поднимается так высоко, что звона больше не слышно. Туман образуется при обратной температурной норме — когда воздух у поверхности земли прохладнее, чем на высоте. Данный феномен называется температурной инверсией; в тумане звуковые волны искривляются вниз, по направлению к земле, а не по направлению к атмосфере.

Инверсия нормальных температур происходит в том случае, когда воздух у поверхности земли в безоблачную зимнюю ночь охлаждается, а земля при этом быстро отдает накопленное за день тепло. Или же когда поток воздуха проходит над особенно холодным озером или океаническим течением. Но какова бы ни была причина тумана, температурная разница вынуждает звук распространяться через прохладный воздух у поверхности земли с меньшей скоростью, нежели через более теплый воздух верхних слоев атмосферы. Именно благодаря этой местной температурной инверсии звуковые волны устремляются не от земли, а к земле. Звук «обнимает» землю, в результате чего колокола слышны гораздо дальше, чем при обычной погоде.

Вы можете подумать, что на самом деле Второй закон волны никакого отношения к распространяющимся через воздух звуковым волнам не имеет — волны ведь не пересекают границу, «переходя из одной среды в другую». Однако для изменения направления волнам необходимо всего-навсего изменить скорость. А для этого достаточно плавной смены характеристик среды, в которой они находятся, например, изменения температуры воздуха. Скорость волн при таком условии меняется, и нет необходимости ни в резкой границе между средами, ни в наличии принципиально иной среды.

Моряки, оказываясь в тумане слишком близко от берега, давно уже научились оборачивать звуковую рефракцию себе на пользу. До изобретения радара, не говоря уж о GPS-навигации, нахождение судна в прибрежных водах зачастую оканчивалось трагически.

Однако мореходы, вооруженные знанием о том, что в условиях температурной инверсии звуковые волны проходят над морской поверхностью большее расстояние, изобрели грубое подобие эхолокатора — они кричали в туман, прислушиваясь к отражавшемуся от прибрежных скал эху. Улавливая направление, откуда шло отражение звука, и высчитывая секунды, затраченные отраженным звуком на путь, моряки худо-бедно представляли себе местонахождение береговой линии — чем период запаздывания короче, тем большая земля ближе. А поскольку прохладный воздух у самой воды направлял отраженный звук вниз, до моряков доносилось эхо, возвращавшееся с большего, нежели обычно, расстояния.

Мне радостно сознавать, что попытка использовать принцип рефракции для улавливания происходящего на другом конце мира помогла объяснить загадочный Розуэллский инцидент 1947 года; благодаря этому событию тихий городок посреди пустыни в штате Нью-Мексико обрел статус мировой столицы НЛО. Только не подумайте, будто я питаю нездоровое пристрастие к инопланетянам и пустыне.

Разобравшись в сути процесса рефракции, мы похороним одну из самых живучих теорий заговоров: почему обломки НЛО были найдены возле Розуэлла, а факт их обнаружения тщательно скрыт запаниковавшим военным чином. Началась же вся эта история с одного ученого.

Во время Второй мировой войны доктор Морис Юинг, геофизик из Океанографического института Вудс-Хоул, штат Массачусетс, сделал открытие, связанное с проходящими через океанические толщи звуковыми волнами. Юинг специализировался на изучении строения морского дна с помощью звуковых волн, и потому ВМС США поручили ему исследовать поведение звука под водой — от этого в немалой степени зависел исход так называемой войны субмарин. В 1943 году ученый доказал существование подводного звукового канала на глубине около километра (в зависимости от географической широты). Канал улавливает звуковые волны; распространяясь внутри канала, они проходят гораздо большие расстояния. В основе же такого поведения волн лежит принцип рефракции.

В типичной океанической акватории средних широт скорость звуковых волн, распространяющихся через поверхностные слои воды, равна примерно 5 500 км/ч (широта имеет значение, поскольку температура воды на экваторе и на Южном или Северном полюсе сильно разнится). По мере погружения температура понижается, а значит, и скорость замедляется: до 5 310 км/ч на глубине около 1,2 км. На еще большей глубине температура перестает падать, однако давление воды по-прежнему растет. Благодаря растущему давлению звук снова набирает скорость. На глубине около 5 км скорость звука возвращается к цифре 5 500 км/ч. В подводном звуковом канале на глубине чуть менее километра звук идет с самой низкой скоростью (в теплой воде тропиков подводный звуковой канал находится глубже; чем ближе к полюсам, тем глубина залегания канала меньше). Благодаря эффекту рефракции глубина подводного звукового канала также является областью задержки большей части энергии, переносимой звуковой волной — волна не может распространяться ни вверх, ни вниз, а только по горизонтальной плоскости.

Представьте себе кита-горбача, издающего звуки на глубине подводного звукового канала. В обычной ситуации звуковые волны распространялись бы от кита непрерывно расширяющимися окружностями. Однако попадая в подводный звуковой канал, части волны, идущие в направлении поверхности, ускоряются и поворачивают к земле, а части, направлявшиеся вглубь, ускоряются и устремляются вверх. Благодаря «потолку» более высоких температур и «полу» все возрастающего давления, волны распространяются не в виде окружностей, а в виде непрерывно расширяющихся цилиндров. Песня кита-горбача в ограниченном водном пространстве будет слышна и другим находящимся в канале китам, распространяясь на сотни километров. Еще в 1970-х годах морские биологи предположили: киты-горбачи и другие китообразные, например высоколобый бутылконос, используют подводный звуковой канал для общения друг с другом. Но к единому мнению относительно истинности этой гипотезы до сих пор не пришли.

Неизвестно, когда о подводном звуковом канале стало известно китам, однако среди людей первым человеком, обнаружившим его существование, стал Юинг. Канал назвали каналом звуколокации; ВМС США щедро финансировали исследования Юинга, надеясь потом использовать канал в военных целях. Юинг предложил создать сеть подводных микрофонов, или гидрофонов, которые предполагалось задействовать при поиске потерпевших крушение над океаном пилотов. Терпящий бедствие летчик опускает в воду полый металлический шар, называемый шаром канала звуколокации. Шар погружается в воду и на глубине около километра под давлением воды взрывается, порождая внутри подводного звукового канала звуковую волну. Сигнал засекают на расстоянии сотен тысяч километров и методом триангуляции, сравнивая данные разных гидрофонов, определяют местоположение летчика.

Так как в мирное время все внимание военных было сосредоточено на Советском Союзе, Юингу, в то время работавшему уже в Колумбийском университете, поручили разработать механизм обнаружения проводимых русскими ядерных испытаний. Юинг уже догадался, что тот же самый принцип применим не только в океане, но и в атмосфере — в воздухе должен быть такой же звуковой канал, поскольку с высотой атмосферная температура меняется. Что, если через воздушный звуковой канал, называемый атмосферным волноводом, можно улавливать взрывы, происходящие на другом конце земного шара?

В среднем воздух тропосферы с увеличением высоты охлаждается. Тропосфера — нижний слой атмосферы: примерно 11 км над полюсами и 18 км над экватором. Граница между тропосферой и стратосферой отмечается повышенной концентрацией озона и других газов, которые поглощают солнечное тепло гораздо охотнее, чем газы в тропосфере. Итак, по мере того, как вы переходите границу тропосферы, воздух перестает охлаждаться, но еще не начинает вновь нагреваться в нижней части стратосферы. Другими словами, образуется своего рода «бутерброд»: область холодного воздуха в верхней части тропосферы, зажатая более теплым воздухом снизу и сверху. Поскольку скорость звука зависит от температуры воздушной среды, эта область холодного воздуха в атмосфере ведет себя аналогично подводному звуковому каналу. Внутри «бутерброда» с более холодным воздухом звуковые волны задерживаются, поскольку те части волны, которые шли вверх или вниз, ускоряясь в более теплом воздухе, устремляются к середине канала. Как и в случае с подводным звуковым каналом, на высоте, где распространение звука замедляется, волны энергию теряют.

Юинг был убежден, что через этот атмосферный волновод звуковые волны от ядерных взрывов русских распространятся вокруг земного шара; ученый смог убедить в этом начальника штаба ВВС США. Юинг считал: чтобы отслеживать ядерные взрывы, надо будет всего лишь слушать звуковые волны на соответствующем диапазоне высот.

Однако на деле все оказалось не так уж и просто — атмосферный волновод находится на высоте почти 14 км. Юинг предложил создать систему подвешенных к стратостатам микрофонов; данные с этих микрофонов должны были передаваться в виде радиосигналов либо на землю, либо на самолеты со специальным оборудованием. Этот совершенно секретный план был разработан Юингом совместно с коллегами из других университетов; проект получил название «Могул»[19].

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы проводились в режиме строгой секретности, в закрытых лабораториях, а пробные запуски осуществлялись с удаленных баз, одной из которых была военная база возле Аламогордо, штат Нью-Мексико, посреди пустыни; недалеко от базы располагался первый американский полигон, на котором в 1945 году проводились ядерные испытания. Все работы были настолько засекречены, что имевшему отношение к проекту военному персоналу были известны лишь кодовые обозначения. Проект вели исследователи из Нью-йоркского университета, которых доставляли на место самолетом; персонал же выполнял лишь свои прямые обязанности и зачастую не имел ни малейшего представления о том, как они соотносятся с проектом в целом. Не владел информацией о проекте «Могул» и персонал Розуэллской военной базы, располагавшейся примерно в 160 км к северо-западу.

Однако кое-что удержать в секрете не получилось — громадные стратостаты. Зачастую их объединяли в гигантские — до двухсот метров — цепи, количество стратостатов в которых доходило до тридцати; на них крепились микрофоны, средства радиосвязи и шестиугольные радиолокационные отражатели из металлической фольги в качестве опознавательных знаков. Запускать их приходилось в светлое время суток, что также не способствовало секретности. Хуже того, стратостаты передвигались по воздуху без всякого контроля, подчиняясь лишь воле ветра.

Пробные запуски стратостатов начали в конце ноября 1946 года. Они продолжались еще некоторое время в 1947 году, пока проект «Могул» не свернули — вскоре обнаружилось, что отголоски ядерных взрывов, произведенных на другом конце земного шара, можно улавливать гораздо менее затратным способом, к тому же, не привлекая внимания — с помощью сейсмографов. Стараясь предотвратить малейшую утечку информации, военные скрупулезно отслеживали упавшие на землю стратостаты и собирали разбившуюся аппаратуру — всю, до последнего винтика. В поисках им невольно помогали сообщения местных радиостанций о случаях обнаружения НЛО — мелькавшие в небе серебристые шестиугольные диски не остались незамеченными населением. Однако иногда обнаружить место крушения стратостата не удавалось. Так произошло и во время запуска 4 июня 1947 года.

Спустя десять дней в нескольких километрах к северо-западу от Розуэлла, штат Нью-Мексико, фермер Бразел с восьмилетним сыном Верноном «наткнулись на рассыпанные по большой площади сверкающие обрывки оловянной фольги, куски резиновых полос, довольно плотной бумаги, прутьев».^{43} Поначалу они не придали находке большого значения, оставив мусор нетронутым. Однако спустя несколько недель Бразел, узнав из средств массовой информации о загадочных «летающих дисках», которые якобы видели в небе, решил связаться с шерифом из ближайшего населенного пункта, Розуэлла, и рассказать о найденных обломках. Шериф тут же позвонил на военную базу, откуда прислали офицера-разведчика — офицер, взяв с собой Бразела в качестве проводника, отправился собирать неопознанные обломки. Сам он, как и его сослуживцы на базе, о сверхсекретной программе, в соответствии с которой стратостаты запускали с аэродрома возле Аламогордо, ничего не знал.

В пресс-релизе для местных газет Управление общественной информации заявило, что «вчера многочисленные слухи о летающих тарелках стали реальностью», поскольку с военной базы прислали офицера-разведчика, чтобы найденные обломки забрать. На следующее утро, 8 июля, «Розуэлл дейли рекорд» вышла с передовицей: «Розуэллская армейская авиация взяла в плен летающую тарелку на ранчо возле Розуэлла».

Обломки отправили на военный аэродром возле Форт-Уорта, штат Техас — для изучения. Неизвестно, был ли тот бригадный генерал посвящен в детали проекта «Могул», но он решил остудить совершенно неуместный пыл общественности, заявив, что все это полная чушь: найденные Бразелом обломки — не что иное, как разбившийся метеорологический зонд. Журналистам из газеты «Аламогордо дейли ньюс» позволили даже сделать фотографии места крушения или хотя бы тех обломков, которые подтверждали заявление генерала.

Статья в номере «Розуэлл дейли рекорд» за 8 июля 1947 года: мечта каждого издателя

Как только выяснилось, что никакой сенсацией и не пахнет, средства массовой информации интерес к делу потеряли. Однако расхождения в свидетельствах очевидцев, а также слухи среди военных о приказе высших чинов расследование засекретить лишь подлили масла в огонь. Появились многочисленные рассказы о других НЛО, обрели популярность всевозможные теории заговоров: мол, распоряжение о необходимости факт крушения инопланетного корабля замолчать было отдано на самом высоком уровне.

Результаты всестороннего, исчерпывающего расследования, предпринятого в 1995 году ВМС США, не оставили и тени сомнений: найденные обломки — всего лишь аппаратура, предназначенная для испытании в высшей степени секретного устройства, с помощью которого предполагалось улавливать в атмосферном волноводе отзвуки взорванных Советами ядерных бомб.^{44} Однако отчет убедил лишь некоторых уфологов — большинство сочло, что другого ответа от ВМС и не следовало ожидать.

С тех пор Розуэллский инцидент сделался неотъемлемой частью баек о «летающих тарелках», оброс россказнями о якобы найденных телах пришельцев, увезенных для вскрытия на сверхсекретную военную базу «Зона 51» в пустыне Невада. Каждый год в первую неделю июля в городе Розуэлл проходит Фестиваль НЛО, на котором встречаются уфологи. Розуэллский инцидент оставил свой след и в поп-культуре. Сюжет снятого в Голливуде фантастического фильма «День независимости» основывается на следующем: военному удалось восстановить разбившийся возле Розуэлла инопланетный корабль, и этот корабль служит Земле защитой от вторжений из космоса. Хотя… Если бы сценаристы придерживались фактов, мы бы увидели в фильме громадный космический корабль-носитель инопланетян и Уилла Смита, вооруженного против них стратостатом, микрофоном и радиолокационным отражателем из металлической фольги.

Однако рефракция свойственна не только звуковым волнам, распространяющимся через воздух с разными температурами. Свойственна она и волнам световым. Вы можете наблюдать этот эффект в жаркий солнечный день, смотря сверху вниз на длинную полосу дороги. На границе между раскаленным воздухом над асфальтом и более прохладным воздухом выше свет меняет траекторию движения — кажется, что изображение дороги искажается. Это явление называется маревом — горячий воздух поднимается, а свет отклоняется то в одном, то в другом направлении.

Рефракцию света можно наблюдать и в стакане воды, куда опущена ложка — изображение ложки преломляется. Резкая смена направления движения световых волн как раз и дает такое искажение, при котором ложка выглядит поломанной — две ее части не совмещаются друг с другом.

Рефракцией же объясняется и всегда занимавшее меня свойство океанических волн: когда волны, выстроившись в линию, подходят к берегу, линия их бега всегда перпендикулярна кромке воды. Раз волны рождаются в открытом, бурном море, логично предположить, что иногда они должны накатывать не прямо на берег, а идти вдоль него, от одного края к другому.

Однако этого не происходит, и все благодаря рефракции. На мелководье волны бег замедляют, и любая волна, направляющаяся к суше под углом ко все поднимающемуся дну, в конце пути, у самого берега, скорость теряет. В это время она разворачивается и накатывает на берег — что называется, в лоб.

Интересно, если бы волны накатывали не только перпендикулярно, вы бы это заметили? Возможно, не сразу, но уж точно почувствовали бы — что-то здесь не так. Большинство из нас — неважно, наблюдаем мы за волнами или нет — феномен рефракции во внимание не принимает, мы считаем его чем-то само собой разумеющимся. Что нам с того, что волны при движении с разной скоростью в разных средах меняют свое направление? Тот факт, что именно рефракцией объясняется движение волн к берегу перпендикулярно кромке воды, кажется нам чем-то незначительным; едва ли мы вообще замечаем, что они именно так и движутся. Но в этом и смысл наблюдения за волнами — в обыденном вдруг открывается удивительное.

Конечно, наблюдатель за волнами может ни о чем таком и не задумываться, а просто наслаждаться прибоем. В конце концов, на мой взгляд, это одна из лучших форм медитации. Однако пытливый наблюдатель стремится выявить связи, установить параллели, найти сходства между самыми разными типами волн — некоторые волны видны невооруженным глазом, например, волны на пляже, другие невидимы, например, волны звуковые. Возможно, для многих из нас волновая природа мира слишком уж эфемерна, чтобы в полной мере ее осознавать, однако она — в основе всего: стоит вам только присмотреться, как вы начнете замечать волны повсюду.

Итак, мы добрались до Третьего (и последнего) закона волны.

То, каким образом препятствие влияет на волну, зависит в основном от размеров препятствия относительно длины волны. Намного меньшее препятствие оказывает на волну ничтожное влияние. Получается, дифракция звуков разных типов, встречающих на своем пути самые разные препятствия, происходит по-разному. Например, деревья, заборы и припаркованные машины гораздо крупнее высокочастотных волн длиной в два сантиметра, но намного меньше низкочастотных волн длиной в десятки сантиметров. Когда вы стоите у светофора в ожидании зеленого света, шум проносящихся туда-сюда машин слышится вам какофонией звуков разных частот: от высокочастотного шороха колес по гравию до низкочастотного гудения грузовика. Однако когда между вами и проезжей частью возникают препятствия в виде, скажем, стен, вы слышите только низкочастотные звуки тарахтящих моторов — высокочастотные до вас не доходят.

Обо всем этом стоит помнить, выбирая место для своей стереосистемы. Низкочастотные динамики, «басы», можно поставить где угодно, хоть под столом — длинные звуковые волны легко обогнут препятствия из плотной среды, а также углы. Высокочастотные динамики, «пищалки», наоборот, стоит ориентировать так, чтобы между динамиками и вами не было никаких препятствий — только в таком случае звуки с короткой волной будут хорошо слышны.

Именно явление дифракции позволяет вам определить источник звука — повинуясь законам дифракции, волны огибают и такой плотный предмет, как ваша голова.

Чтобы определить источник звука, можно воспользоваться одним из двух методов, в зависимости от длины огибающих волн. Высокочастотные волны с относительно небольшой длиной — меньше ширины вашей головы — не смогут с легкостью обогнуть голову и достичь направленного в другую сторону уха. Определяя направление этих писклявых звуков, ваш мозг сравнивает интенсивность звука, достигающего каждого уха, и судит о направлении по тому, насколько звук в одном ухе громче звука в другом ухе. А вот низкочастотные звуки с большой длиной волны запросто достигают обоих ушей, поскольку размеры вашей головы для них относительно малы — волны огибают ее, не создавая акустическую тень. В случае с низкими звуками мозг сравнивает малейшую разницу, но уже во времени, которое звук затрачивает, чтобы достичь каждого уха. Распространяясь от источника, волны достигают другого уха чуть позже, поскольку им приходится вашу голову огибать. И «чуть позже» здесь не просто пустой, ничего не значащий речевой оборот, так характерный для англичан — запаздывание в самом деле составляет какие-то несчастные 0,6 миллисекунды.

Благодаря поразительной точности, с которой наш мозг распознает разницу во времени прохождения и интенсивности звуков, мы, люди, превосходно улавливаем направление источника звуков. Однако справедливо это в том случае, когда звуки распространяются в горизонтальной плоскости.[20] Воспринимая идущие прямо на нас звуки, мы способны определить их источники, отстоящие друг от друга на расстоянии менее двух градусов. И хотя тихие звуки и запредельные частоты мы слышим гораздо хуже многих животных, в определении источника звуков мы опережаем многих млекопитающих, в том числе кошек, собак, летучих мышей.^{45},{46} Каких-то десять лет назад считалось, что в способности определять источник звука человек превосходит всех животных, за исключением разве что таких странных существ, как совы. Однако нашу уверенность в себе пошатнула крошечная назойливая муха-паразит Omnia ochracea, живущая в южной области США и на севере Мексики. В 2001 году исследователи из Корнеллского университета обнаружили, что это маленькое желтое насекомое способно распознать источник звука с такой же точностью, как и человек^{47}.

Для сверчков острый слух этой мухи имеет фатальные последствия. В ночное время самка мухи, пользуясь своим превосходным слухом, улавливает брачный призыв самца сверчка. Под покровом темноты она опускается где-нибудь неподалеку, а потом совершает резкий бросок. Прежде, чем несчастный сверчок сообразит, что к чему, муха успевает отложить прямо на него или в непосредственной близости сотни своих личинок. Одна или несколько личинок — крошечные черные червячки меньше миллиметра длиной — зарываются в тело сверчка. Неделю личинка питается и растет, после чего выбирается из тела временного хозяина в новый для нее мир. Вам может показаться, что сверчок такому избавлению

Любой ныряющий со снаряжением дайвер подтвердит — наши способности определять направление звуков под водой весьма посредственны. В воде звук распространяется раза в четыре быстрее, чем в воздухе, и разница во времени достижения звуком каждого уха гораздо менее различима. только рад. Но насладиться свободой он не успевает — тут же разваливается на части, погибая.

Впрочем, хотя муха Ormia и распознает источник звука с большой точностью, переплюнуть в этом деле нас, людей, ей не под силу. Или все же под силу? Расстояние между нашими ушами — около 15 см, в то время как у мухи — всего 0,5 мм. Способность самки мухи Ormia находить сверчка по звуку поражает гораздо больше, чем острота нашего слуха, ведь муха такая маленькая! Расстояние между ее барабанными перепонками ничтожно мало, и разница во времени достижения волнами одного и другого уха — порядка 0,00000005 секунды; на этом фоне наши 0,0006 выглядят бледновато. До чего же чуткая мушка!

Мы отлично определяем направление звуков в горизонтальной плоскости, а вот когда источник находится выше или ниже, все уже не так хорошо. Поскольку уши у нас на голове расположены симметрично, по обе стороны, при повороте головы в горизонтальной плоскости расстояние от источника звука до каждого нашего уха окажется одинаковым — неважно, ниже источник или выше. То есть звуковые волны будут достигать обоих ушей за одно то же время. Впрочем, это и не страшно, потому как чаще всего мы имеем дело с двумя пространственными измерениями.

Иное дело — совы-сипухи. Для них умение определить направление источника звука, распространяющегося в вертикальной плоскости, жизненно важно. И хотя совиное зрение в два раза чувствительнее к свету, чем у человека, оно не особенно-то помогает птицам, когда те ищут в темноте маленького грызуна, пробегающего среди травы и листьев, а то и под снегом. Поэтому вместо того, чтобы приглядываться, сова прислушивается. Чтобы ей, сидящей на ветке, понять, откуда именно доносится шорох лапок этой самой мышки, она должна с легкостью распознавать направление звука, идущего и в вертикальной, и в горизонтальной плоскостях. Вот почему, как вы, может быть, замечали, уши у сипух расположены на голове асимметрично: слуховое отверстие левого уха примерно на сантиметр выше слухового отверстия правого.

Сипухам, как и многим другим совам с такой же анатомической особенностью, повезло — их прикрытые перьями асимметричные уши практически невидимы. А вот кому не повезло, так это крысам, мышам и землеройкам — они становятся легкой добычей пернатых хищников, точно определяющих источник шорохов благодаря расположению ушей на разных уровнях. Даже если чуткая сова крутит головой в горизонтальной плоскости, стремясь выровнять интенсивность достигающих обоих ушей звуковых волн, волны все равно приходят к каждому уху за разное время, пусть эта разница и ничтожна.

Пока сова, прислушиваясь к звуку, держит голову в горизонтальной плоскости, расстояние от мыши до каждого уха неодинаково. Однако птица может вертеть головой и вверх-вниз, добиваясь совпадения времени, за которое звуковые волны достигают ушей, и таким образом определяя точное местонахождение добычи. Умение совы определять источник звука в вертикальной плоскости феноменально. После определенной тренировки она могла бы бить по «звуковым мишеням» в полной темноте. И погрешность при этом составила бы менее одного градуса и в горизонтальной, и в вертикальной плоскостях.^{48}

Дифракция свойственна не только звуковым волнам. Как один из законов волны, это явление характерно для любых волн.

Преградив идущие из окна солнечные лучи сложенными определенным образом руками, вы будете наблюдать дифракцию света — на стене отразится тень зайца. Все мы знаем, что чем ближе поднести руки к стене, тем контуры будут четче.

А вот если встать рядом с самим окном, на расстоянии метра или двух, получится размытое пятно, лишь отдаленно напоминающее зайчика. Или сову? Или… муху Ormia?

Впрочем, теперь это всего-навсего расплывчатое пятно, ничем не примечательное, едва ли способное пробудить любопытство. Однако оно — видимый пример дифракции. Ваши руки играют роль препятствия, огромного по сравнению с длиной волн видимого света, составляющей что-то вроде 0,0005 миллиметра. Вот почему руки отбрасывают тень: световые волны просто не в состоянии их обогнуть. Впрочем, огибают, но лишь незначительно — в той или иной степени дифракция волнам всегда свойственна. Чем дальше вы отодвигаете руки от окна, тем очевиднее становится тот факт, что световые волны препятствие все же огибают.[21]

Явление дифракции присуще и радиоволнам. Именно поэтому радиостанциям с частотной модуляцией, которые вещают в диапазоне коротких (длиной около 60 см) волн (FM радиостанции) приходится использовать сеть промежуточных станций с передатчиками, разбросанных по всей стране. Долины не всегда находятся в зоне прямой видимости, поскольку холмы и горы отбрасывают «тени» неуверенного приема — размеры этих природных образований намного превышают длину радиоволн. Но подобные препятствия не являются помехой для радиостанций с амплитудной модуляцией, которые вещают в диапазоне длинных (около 2 км) волн (AM радиостанции). Такие радиостанции обходятся всего одной промежуточной станцией с передатчиком, поскольку длинные волны легко огибают холмы и распространяются дальше, по долинам.

Можно наблюдать явление дифракции волн даже на водной поверхности. Позади острова, сильно превосходящего размерами длину волн, возникает «тень» более спокойной воды.

С другой стороны, одна из опор пирса, будучи гораздо меньше длины волн, не оставляет позади себя никакой «тени» — волны огибают опору так, будто ее и вовсе не существует.

Знание того, каким образом все три закона волны соотносятся с океаническими волнами, имело огромное значение для мореплавателей с Микронезийских островов в Тихом океане. Эти опытные мореходы, переправляясь на своих каноэ с одного острова на другой, сверяли направление движения по зыбям. Они, бесспорно, самые первые в ряду наблюдателей за волнами, особенно те из них, кто родом с Маршаллов — островов на полпути между Гавайями и Новой Гвинеей. Эти далекие острова и атоллы возвышаются над уровнем моря всего на метр — с большого расстояния их почти не разглядеть. В ночную пору местному населению приходится ориентироваться по звездам; днем на смену звездам приходят волны.

Уникальному способу навигации, теперь по большей части утерянному, обучались из поколения в поколение с помощью особых карт — маттанг. Карты делались из переплетенных жилок листа кокосовой пальмы; на картах указывалось, каким образом зыби отражаются от островов и как меняют направление движения, преломляясь и огибая их. Небольшие ракушки на карте символизировали острова. Поскольку зыби обычно приходят с одной и той же стороны, островитяне научились определять местоположение острова на расстоянии более 60 км от него — по тому, как волны под влиянием этого острова меняли свой ход.^{49}

Вообще-то, было бы некоторым заблуждением называть этих невероятно искусных мореплавателей наблюдателями за волнами, потому как на деле они не наблюдают волны — они их чувствуют. «Штурман ложится на дно каноэ, — описывал в 1862 году миссионер, — прикладывая правое ухо ко дну на несколько минут, и затем говорит остальным: «Земля — за нами, на одной с нами линии или впереди», — итак далее».^{50}

Возможно, миссионер читал карту шиворот-навыворот, вот и выдумал ухо, приложенное ко дну каноэ. В наши дни ученые выяснили, что штурман обращал внимание на то, как каноэ раскачивается, а не на звуки: если корма поднималась раньше носа, зыбь накатывала сзади; если левый борт поднимался раньше правого борта, зыбь накатывала слева, и так далее. В действительности, при обучении будущие штурманы должны были плавать в море на спине — таким образом они учились чувствовать колебания волн.^{51}

Но как бы наглядно звуковые волны ни демонстрировали три закона волны, сами они в качестве объектов для наблюдения малоинтересны — в конце концов, мы их попросту не видим.

Однако я, как наблюдатель за волнами, получил очень важный урок: иногда волны можно познать не прямо, а косвенно, через их проявления. Ведь волновая сущность некоторых из них не всегда очевидна. Можете не верить, но я оказался на месте тех самых учеников-штурманов с тихоокеанских островов. Меня осенило: важно не глазеть на волны со стороны, а погрузиться в них с головой.

В мае этого года именно так я и поступил — со звуковыми волнами. Само собой, я, да что там я — все мы, погружался в них и раньше, однако на этот раз мои действия отличались осознанностью. Входя в комнату, я начал прислушиваться к тому, как изменяются звуки вокруг меня, как вибрирует мой голос, как слышны звуки шагов — от плитки в ванной комнате звуковые волны отражаются гораздо более звучно. За ужином я на мгновение замер, внимая чистому, камертонному звучанию бокала, задетого ручкой ножа. Мне подумалось: до чего тонкими должны быть вибрации хрупкого стекла, рождающие столь ясную, серебряную ноту. И, напротив, в оглушительном, подобном ударам медных тарелок, грохоте крышки сковороды, упавшей на пол, я не услышал вообще ничего музыкального. От крышки исходили перемешанные, разночастотные колебания, и потому в звуке отсутствовала чистота — это походило скорее на бранную тираду повара с кухни.

Хотя напрямую звуковые волны нам не видимы, мы можем наблюдать их проявления. Если вам случится попасть на концерт, где исполняют музыку в стиле регги, одолжите у соседа-курильщика зажигалку и поднесите ее, зажженную, к низкочастотному динамику. Вы увидите: пламя танцует под ритм музыки: взмывает и опадает, мерцая в такт звуковым волнам. Эти чистые физические колебания, демонстрируемые маленьким огоньком, отплясывающим заразительный уличный танец, — неотъемлемые движения звука. Вы, конечно же, испытаете воздействие звуковых волн и на себе — под их влиянием полости в вашей грудной клетке вибрируют. Итак, в том, что окружающие нас звуковые волны имеют физическую природу, никаких сомнений нет.

Однако если вместо ритмов регги с грохочущими «басами» вы заслушиваетесь классикой в исполнении оркестра из восьмидесяти музыкантов, это не станет для вас преградой на пути познания физической природы музыки. Закройте глаза. Представьте, что вы плывете на спине в море звуковых волн. Представьте, что они текут под вами, слегка покачивая. Обтянутые специальной кожей барабаны литавр издают низкочастотные звуки, которые отзываются внутри вас, будто перекатывающиеся зыби — они то поднимают ваше тело, то опускают. Вы почти различаете отдельные ритмичные удары самого низкого барабана. Совсем иное — высокое, дрожащее вибрато группы струнных. Музыканты перебирают струны и в то же время прижимают струну на грифе, едва заметно меняя ее длину — частота колебаний звука сменяется в быстрой последовательности. Может, эти волны и не потрясут вас до глубины души, но разве не напоминают они волнующую дрожь в голосе изливающего свои чувства любимого человека? Вы дрейфуете в океане звука, и эти волны по-своему вас трогают.

Физика существует не только в виде уравнений на доске и задач в учебниках. Физика лежит в основе всякого чувства, пробуждаемого музыкой. Какую бы музыку вы ни слушали, она всего лишь последовательность звуковых волн. Но я вовсе не хочу умалить ее достоинства, просто напоминаю вам: до чего же это здорово, когда такой мощный, многослойный поток тонов и тембров достигает ваших ушей посредством такого ничем не примечательного механизма! До чего же восхитительно, когда многочисленные надежды, возлагаемые композитором на произведение, эмоции, вложенные музыкантами в его исполнение, переплетающиеся звучания всех инструментов, в гармонии, диссонансе, согласии — все это оказывается доступно вам благодаря едва заметным колебаниям воздуха в ваших ушах!