Вид с высоты - Айзек Азимов

К сожалению, оказывается, звук нужен дельфинам не только для общения.

Чтобы разобраться в этом, поговорим немного о природе звука. Здесь мы еще раз сталкиваемся со случаем, когда греки выбрали правильный путь (это единственная область физики, где они не ошиблись).

Так, Пифагор Самосский примерно в 500 году до нашей эры заметил, что струны лиры издают звуки тем выше, чем короче струна. Он (или, возможно, кто-нибудь из его последователей) заметил также, что звучащие струны совершают колебания и что короткие струны колеблются быстрее. Во всяком случае, к 400 году до нашей эры философ пифагорейской школы Архит Тарентский отметил, что звук возникает в результате соударения тел, причем быстрое движение создает высокий звук, а медленное — низкий.

Позже Аристотель особо отметил роль воздуха и включил его в число тел, издающих звук при соударении. Аристотель утверждал, что частицы воздуха ударяют одна другую и таким путем звук передается по воздуху, пока не достигает уха. Без промежуточной среды, такой, как воздух или вода, указывал Аристотель, человек не слышал бы звука. И здесь он опять не ошибся.

В конечный период древней истории (около 500 года нашей эры) последний римский философ Боэций сравнивал в своих записках звуковые волны с волнами на воде. (На самом деле звуковые волны продольные, а волны на поверхности воды поперечные; в подробности этого различия мы вдаваться не будем, поскольку это сравнение во многих отношениях дает достаточно наглядное представление о волновом движении.)

Но природа света вызывала яростные споры еще долгое время после того, как было установлено, что звук — это волновое движение. В XVII веке, в великую эпоху рождения современной науки, одна группа ученых, следуя Христиану Гюйгенсу, считала, что свет представляет собой такое же волновое явление, как и звук. Однако более многочисленная группа ученых, возглавляемая Исааком Ньютоном, считала свет потоком чрезвычайно малых, быстро движущихся частиц.

Ньютоновская корпускулярная теория света господствовала более 100 лет, причем не только благодаря огромному авторитету самого Ньютона, но в силу его аргументации, которая строилась примерно так.

Волны на поверхности воды (самый привычный для нас вид волнового движения) огибают препятствия. Поместите палку на пути расходящихся кругами волн — правильность их нарушится. Круги искривятся, приобретут более сложный контур, но волны не отразятся и не исчезнут. За палкой не будет свободной от волн «тени».

Звуковые волны тоже не останавливаются перед препятствиями, но огибают их. Ведь мы отчетливо слышим окликающего нас приятеля, даже если он находится за углом или по другую сторону высокого забора.

Но свет не огибает препятствий, он отражается, — поэтому мы можем видеть предметы. Препятствия создают позади себя неосвещенные участки, тени, с резкими очертаниями — доказательство того, что лучи света распространяются совершенно прямолинейно. Все это так отличается от поведения волн на воде или в воздухе, что совершенно очевиден вывод: свет не может иметь волновой природы, он представляет собой поток частиц, распространяющийся прямолинейно и неспособный отклоняться от прямой траектории.

Но вот в 1801 году английский физик Томас Юнг пропустил узкий луч света через две расположенные очень близко друг к другу узкие щели. Два результирующих луча на экране, стоявшем позади, расплылись и частично перекрыли друг друга. Однако вместо простого усиления яркости в том месте, где лучи перекрылись, получился перемежающийся ряд светлых и темных полос.

Но каким образом два смешивающихся луча образуют темные участки? Если свет состоит из частиц, то это явление, по-видимому, необъяснимо. Однако если он состоит из волн, то волны, смешиваясь, должны были бы в некоторых участках совпасть по фазе (то есть их гребни наложились бы друг на друга) и поэтому создать в таких участках освещенность ярче, чем каждый луч отдельно. Появились бы также участки, где волны оказались бы в противофазе (гребни одной наложились бы на впадины другой), так что они погасили бы друг друга и появилась бы темнота. Это явление интерференции можно в точности воспроизвести на опыте с волнами на поверхности воды и получить тот же эффект, который Юнг наблюдал в своем опыте со светом.

Это сразу же установило волновую природу света. (По современным представлениям, свет обладает и волновыми и корпускулярными свойствами, но сейчас это нас не интересует.)

Так вот, по ширине интерференционных полос и по расстоянию между двумя щелями, расщепляющими луч света на два, оказалось возможным высчитать длину световой волны. Длины самых коротких волн (фиолетовых) составляют всего 0,000039 сантиметра, а самых длинных (красных) — примерно 0,000075 сантиметра.

В 1818 году французский физик Огюстен Жан Френель разработал математическую теорию волнового движения и показал, что волны могут огибать только те препятствия, размеры которых меньше длины волны. Палка не остановит волны, но длинная земляная коса это сделает; даже в шторм район моря, защищенный такой косой, останется сравнительно спокойным (получится свободная от волн «тень»). В сущности, такие гавани обычно и считают наиболее удобными.

И наоборот, предметы, видимые невооруженным глазом, как бы малы они ни были, велики по сравнению с длинами волн света: именно поэтому световые волны их не огибают, а отражаются, и позади таких предметов образуются резкие тени. Если препятствие достаточно мало, то световые волны будут огибать его (такое явление называется дифракцией). Это и доказал Френель.

Вернемся теперь к звуку. Длины звуковых волн должны быть гораздо больше длин световых, ибо звук огибает даже те препятствия, которые совершенно преграждают дорогу свету. (Однако же, хотя дерево не отражает обычных звуковых волн, горы это делают, — именно так получается эхо; а в больших помещениях звуки реверберируют вследствие повторных отражений звуковых волн от стен.)

Длину волны всякого определенного звука можно точно вычислить, разделив скорость распространения звука на его частоту (то есть на число колебаний источника звука в секунду).

Что же касается скорости распространения звука, то даже первобытный человек, должно быть, знал, что звук имеет какую-то конечную скорость. Уже с небольшого расстояния мы можем заметить, как топор дровосека ударяет по дереву, а звук удара доносится лишь спустя некоторое время. Если предположить, что скорость света бесконечно велика (а это и в самом деле так в сравнении со скоростью звука), то для определения скорости звука нужно всего лишь измерить промежуток времени между увиденным и услышанным и расстояние до дровосека.

Еще сравнительно недавно измерение коротких интервалов времени было весьма трудным делом. Маятниковые часы были изобретены только в 1656 году (между прочим, тем же Христианом Гюйгенсом — основоположником волновой теории света). Только после этого стало возможным с достаточной точностью измерять отрезки времени меньше часа.

В 1738 году французские ученые установили по пушке на двух холмах, расстояние между которыми было 27 километров. Стреляя из пушки на одном холме, они засекали промежуток между вспышкой и звуком с другого холма; затем, стреляя из пушки на другом холме, засекали время с первого холма (это делалось, чтобы учесть поправку на ветер). Таким способом впервые была измерена скорость звука. Сегодня принято считать, что звук распространяется со скоростью 331 метр в секунду при 0° Цельсия, или примерно 1200 километров в час.

Скорость распространения звука зависит от упругости воздуха, то есть от естественной быстроты, с которой могут раскачиваться вперед-назад молекулы воздуха. Упругость повышается с температурой, поэтому увеличивается и скорость распространения звука — на каждый градус повышения температуры примерно по полметра в секунду.

Нота «до» первой октавы скрипичного ключа (на рояле — середина клавиатуры) имеет частоту 264 колебания в секунду; следовательно, длина волны звука среднего «до» равна 331/264, или 1,25 метра. Частота увеличивается с высотой звука (это открыли пифагорейцы), а длина волны соответственно уменьшается. Чем ниже звук, тем меньше его частота и больше длина волны.

Самая низкая нота, которую можно взять на рояле, имеет частоту 27,5 колебания в секунду, а самая высокая — 4224 колебания в секунду. Следовательно, длина одной волны составляет 331/27,5 = 12 метров, а длина другой волны — 331/4224 = 0,076 метра (то есть 7,6 сантиметра).

Даже диапазон рояля, очень широкий, не охватывает всех звуков, воспринимаемых человеческим ухом. Человек с нормальным слухом способен слышать самые низкие звуки, до 15 колебаний в секунду, и чрезвычайно высокие звуки, в зрелом возрасте выше 15 000 колебаний в секунду, а в детстве — даже вплоть до 20 000 колебаний в секунду. Этот максимальный интервал охватывает более десяти октав (каждую следующую октаву составляют звуки удвоенной частоты), тогда как наше зрение чувствительно к световым лучам в пределах одной-единственной октавы. В пересчете на длины волн наше ухо улавливает звуки в диапазоне от 22 метров до 2 сантиметров.