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

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!

Поле неподалеку от моего дома пересекает речушка. Как только у меня случаются творческие простои, я иду прогуляться вдоль ее берегов. Однажды июньским утром — дождя не было уже две недели — я почти не заметил ее течения. День был безветренным, и поверхность воды выглядела зеркально гладкой.

В такой воде я люблю рассматривать отражения облаков. В тот день по водной глади плыла цепь Cumulus humilis[22], предвестников хорошей погоды. Поначалу мне показалось, что река совершенно неподвижна, но, присмотревшись, я увидел на фоне крутившихся в медленном, хаотичном танце отраженных облаков едва заметное движение воды. Пройдя еще немного и повернув вместе с руслом реки, я неожиданно услышал всплеск: облака в воде затанцевали вверх-вниз на одном месте. Что это, рыба?

Но как я ни вглядывался, ничего не увидел. Однако небольшой всплеск оставил после себя кое-что: по неподвижной поверхности воды расходилась небольшая рябь. Она представляла собой полукружья, исходившие из точки на противоположном берегу. Проследив их обратный путь, я оказался у небольшой земляной норы прямо над водой. Значит, все-таки не рыба. Скорее, водяная землеройка. А может, водяная крыса. Водяной хомяк, в конце концов. Как бы там ни было, это животное обитало в норе над берегом — рябь только что выдала его присутствие.

И вот о чем я подумал…

Волны не только переносят энергию — волны переносят еще и информацию. Может, само по себе оно и не захватывает, не будоражит воображение, однако согласитесь, звучит все же лучше, чем «возмущение, перемещающееся через среду». Дело в том, что любая волна содержит в себе отгадку причины, породившей это самое возмущение. Наш таинственный обитатель реки, сам того не желая, выдал себя: звуковыми волнами от небольшого всплеска, в то время как он выбирался из воды, и распространившейся по водной поверхности рябью.

Тем временем отражения облаков стали легонько колыхаться — совсем как застенчивый человек, несмело переминающийся с ноги на ногу на танцплощадке. Наблюдая за отражениями, я вспомнил слова страстного рыбака Криса Иейтса. Он как-то признался, что во время рыбалки частенько наблюдает облака, только вверх тормашками — глядит на их отражения в воде. Зачастую рыба неосмотрительно выдает себя рябью — опытный рыбак эту рябь сразу примечает. Выходит, рыбак — наблюдатель не только за облаками, но и за волнами? Интересно, возможно ли определить породу рыбы по характерному узору оставляемой ею на поверхности ряби?

«Когда устанавливается полный штиль, я внимательно слежу, не появится ли где эта самая рябь, — рассказал мне Крис; как-то раз я позвонил ему, желая поговорить о наблюдениях за волнами. — Особенно удобно следить за рябью в лунную ночь. Рыба поднимается к самой поверхности незамеченной, но поскольку вода в озере неподвижна, пробегающая по ней рябь тут же бросается в глаза. Обычно это довольно крупная рябь, с парой более мелких линий ряби впереди и позади».

Крис рассказал, что порой крошечные волнообразные послания едва читаемы — такое происходит, когда рыбина поднимается к поверхности, но из воды не высовывается, или когда охотится у дна и ловит довольно крупную добычу, скажем, креветку. Поднимаясь со дна, рыба бьет хвостом, создавая «водоворот, от которого на поверхности образуется рябь».

Случается, рыба, хватая добычу на воде, показывает один лишь рот. «От форели круг всегда четкий, — поделился наблюдениями Крис. —

Придя к реке, стараешься выбрать такое место, чтобы вода была видна под определенным углом — из такого положения заметна мельчайшая рябь от хватающей муху у воды одним ртом форели».

Однако из всех способов передачи информационных сообщений на воде более всего впечатляет один — когда рыба в погоне за летящей мухой выпрыгивает высоко над водой. Возможно, так она еще и прочищает от ила жабры. «Кормясь у дна, большой карп выхватывает из ила личинку червя — его жабры при этом довольно сильно забиваются. На большом озере всплеск можно и не услышать, но если поверхность воды гладкая, вы заметите рябь».

Однажды во время ночной рыбалки — это было в далеком 1985 году на пруду Редмаир в Херефордшире — Крису крупно повезло: он поймал карпа весом в 23,4 кг. Этот его рекорд — самая большая пресноводная рыба, пойманная в Англии, — держался еще пятнадцать лет. «Я рыбачил на дамбе в конце пруда и вдруг услышал всплеск на мелководье в противоположном конце — на расстоянии метров двухсот. Прошло немало времени, прежде чем отражение луны подернулось рябью — это волна от всплеска наконец дошла и до меня».

Крис решил: если карп снова выпрыгнет из воды, он засечет время. «Рыбина выпрыгивала еще дважды — проходило две с половиной минуты, прежде чем небольшая рябь искажала отражение луны. Итак, двести метров за две с половиной минуты».

«Проследив обратный путь кругов ряби, распространяющихся по реке или озеру, можно выйти на рыбу. Видя знак, я тут же начинаю продвигаться к его источнику. Такая рябь — настоящий подарок. Наблюдая за поверхностью воды, рыбак все равно что на экран радиолокатора смотрит».

Волны, эти перемещающиеся возмущения, передают информацию о ставшем их причиной событии. Но событием может оказаться не только прыжок карпа из воды всего пару-тройку минут назад — событие может отстоять по времени и гораздо дальше. Например, на 13,7 млрд. лет назад — именно тогда возникла Вселенная. Более того, порожденные Большим взрывом электромагнитные волны до сих пор расходятся рябью в виде космического микроволнового фонового излучения, иначе называемого реликтовым излучением.

Как Крис Йейтс наметанным глазом рыбака со стажем подмечает рябь на воде и по ней находит рыбу, так и космологи недавно стали использовать специальные, чувствительные к микроволновому излучению космические станции, улавливая изначальные космические возмущения из далекого прошлого. Микроволновое излучение уже поведало много интересного о происхождении и составе Вселенной, а также положило конец некоторым научным спорам, тянувшимся десятилетиями. Это излучение — наиболее важное свидетельство того, что все началось со взрыва, а не пребывало вечно в неизменном состоянии.

Реликтовое излучение измеряют и наблюдают с помощью космических обсерваторий. Первой такой обсерваторией стал Зонд Уилкинсона для исследования анизотропии микроволнового излучения (WMAP), запущенный НАСА в 2001 году на орбиту, до которой более 3 млн. км. Зонд регистрировал малейшие изменения интенсивности (температуры) реликтового излучения, приходящего из разных областей космического пространства. Ничтожные различия в полученных цифрах позволили ученым выстроить модель Вселенной на момент зарождения, уточнить скорость ее расширения, плотность, а также возраст.