Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас

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.