Текст книги "Вид с высоты"

Автор книги: Айзек Азимов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 17 страниц)

Часть III
Физика

8. А теперь – прислушайтесь…

Древние греки ошибались не всегда. Я дал себе труд сказать об этом исключительно ради собственного блага, ибо всякий раз, пытаясь проследить историю какого-нибудь научного понятия, я начинаю от греков, а потом уж не жалея сил стремлюсь показать, как их ошибочные предположения медленно и мучительно выправлялись великими учеными XVI и XVII столетий – обычно вопреки упорному сопротивлению традиционалистов. Проделав это по разным поводам не один десяток раз, я уже, наверно, внушил себе, что единственным занятием древних философов было пускать всех по ложному следу.

И все же… это не совсем так. В некоторых отношениях мы еще едва можем настичь греков. Например, мы только сейчас занялись изучением дельфинов и морских свиней (это небольшие сородичи китов, отличающиеся тем, что у дельфинов губы выдаются вперед наподобие клюва, а у морских свиней – нет. Я буду употреблять оба названия вперемежку, без всякой последовательности).

В последние годы биологи начали проводить наблюдения, связанные с необыкновенной сообразительностью этих существ.

Например, дельфины никогда не нападают на людей. Они могут играть с людьми и притворяться, что кусают, но на самом деле не кусают никогда. Зафиксировано даже три случая, когда они помогли упавшим за борт людям добраться до берега. С другой стороны, дельфин, только что осторожно игравший с человеком, не колеблясь одним ударом зубов убил помещенную в его аквариум барракуду.

Я не совсем уверен, что истинный признак ума – нежно играть с людьми и убивать барракуд, если учесть, что человек – существо куда более свирепое и опасное. Но, поскольку об уме судит сам человек, дельфины, несомненно, получат высшую отметку по поведению, которое не может не заслуживать нашего одобрения.

К счастью, есть более объективные причины полагать, что дельфины наделены умом. Хотя «ростом» они всего от 1,5 до 4 метров, а следовательно, ненамного массивнее людей, их мозг больше и богаче извилинами, чем человеческий. Когда говорят об уме, важен не столько размер мозга, сколько площадь его поверхности, потому что именно от нее зависит количество серого вещества. В процессе эволюции площадь поверхности мозга увеличивалась быстрее, чем допускали размеры черепа, поэтому в ней образовались складки – извилины. Размеры и количество извилин возрастают по мере того, как мы будем переходить от опоссума к кошке, обезьяне и человеку. Но рекорд здесь принадлежит не человеку, а китовым (общее название для китов, дельфинов и морских свиней).

Но является ли дельфиний ум, о котором столь убедительно свидетельствует их мозг, действительно новым открытием? Весьма сомневаюсь. Я думаю, что и в этом греки предвосхитили нас на несколько тысячелетий.

Вспомним, например, древнегреческий миф об Арионе, певце при дворе Периандра Коринфского. Завоевав звание лучшего певца и получив многочисленные награды на музыкальном состязании в Сицилии, Арион возвращался морем в Коринф. В пути честные мореплаватели решили, что нет ничего проще, чем выкинуть пассажира за борт и присвоить его ценности.

Будучи людьми действия, они тут же схватили певца, но Арион стал просить их об одной милости – позволить ему спеть последнюю песню. Это ему было позволено: в конце концов его собирались убить только потому, что того требовало дело.

Нежная песня Ариона привела к кораблю стаю дельфинов, и, когда он с последней нотой прыгнул за борт, один из дельфинов подхватил его и домчал на спине до Коринфа быстрее корабля. По прибытии корабля в порт Арион уже был на месте, готовый выступить свидетелем. Злоумышленники понесли заслуженную кару.

Но почему в этом мифе фигурирует именно дельфин? Несомненно, если бы греки просто фантазировали, спасителем нисколько не хуже могла бы стать, скажем, акула, или гигантский морской конек, или тритон, или огромная улитка. Нет, они избрали дельфина, и не только для мифа об Арионе, но и для нескольких других. Мне кажется, что греки предпочитали дельфинов сознательно, и именно потому, что подметили в них как раз те характерные черты, которые исследуют теперь специалисты военно-морского флота, – их ум и (иначе не скажешь) дружелюбие.

* * *

Любопытно, что греки (или по крайней мере один из них) намного опередили свое время и еще в одном наблюдении, касающемся дельфинов.

Поясним эту мысль. В древности живые существа были распределены по большим группам соответственно наиболее бросающимся в глаза признакам. Например, всякое существо, живущее в воде, неизменно называлось рыбой.

В наше время понятие «рыба» относят только к позвоночным, покрытым чешуей и дышащим жабрами. Такие беспозвоночные, как моллюски, устрицы, омары и крабы, не являются рыбами.

По новейшему определению, даже живущее в море позвоночное, если у него нет ни жабр, ни чешуи, не является рыбой, а это означает, что киты и их меньшие родичи не рыбы. Для современного биолога это очевидно. Представители китовых – теплокровные, дышат легкими и имеют много признаков, явно указывающих, что они происходят от существ, живших на суше.

Однако китовые так приспособились к жизни в море, что потеряли всякие видимые следы задних конечностей; их передние конечности превратились в плавники, напоминающие рыбьи, и у них отрос хвост, внешне совершенно рыбий, но только не вертикальный, а горизонтальный. Тело их даже приняло обтекаемую рыбью форму. В силу всех этих причин то, что очевидно для биологов, не очевидно для остальных, и в обыденной речи китов по-прежнему называют рыбами.

Поэтому в песенке «А может, это и не так» из «Порги и Бесс» поется об Ионе, попавшем в брюхо рыбы – кита. Те из нас, кто изучал различия между млекопитающими и рыбами в современном научном определении, могут только улыбнуться очаровательному простодушию героев пьесы. Но на самом деле ошибка здесь как раз наша, и в нее впадает большинство из нас.

В книге пророка Ионы не упоминается ни о каком ките. В ней (глава 1, стих 17; перевод, сделанный при короле Якове) говорится: «И создал Господь большую рыбу и повелел ей проглотить Иону. И был Иона во чреве этой рыбы три дня и три ночи». Рыба упоминается еще два раза – в главе 2, стихе 1 и 10.

Это уже фольклор переделал «большую рыбу» в «кита».

Теперь можно вновь вернуться к грекам. Первым, кто выделил семейство китовых среди остальных жителей моря, был Аристотель. Еще в 340 году до нашей эры в книге «О возникновении животных» он отметил такой факт, который по тому времени являл собой чудо наблюдательности, а именно что дельфины производят на свет живых детенышей, при рождении связанных с матерью пуповиной. А это значит, что зародыш непрерывно получает питание прямо от материнского организма, а не из запаса, сосредоточенного в яйце, как, например, у некоторых живородящих змей. Наличие пуповины характерно для имеющих волосяной покров и молочные железы четвероногих, называемых млекопитающими.

Аристотель отнес китовых к млекопитающим, а не к рыбам. Досадно, что древние и средневековые мыслители, мертвой хваткой державшиеся за многие ошибочные предположения и выводы Аристотеля, не обратили внимания на это совершенно точное наблюдение, полностью отвечающее современным представлениям. Только в XIX веке эти соображения Аристотеля окончательно утвердились.

Недавно мы узнали о дельфинах кое-что, вероятно, неизвестное древним грекам. Это касается звуков, издаваемых дельфинами. Микрофоны, погруженные на некоторую глубину, обнаружили, что океан (как это ни удивительно) довольно шумное место, где щелкают клешнями крабы, а рыбы таинственно ворчат. Однако, кроме человека, только представители семейства китовых обладают достаточно сложным мозгом, чтобы при помощи тонких мускульных движений издавать весьма разнообразные звуки. И в самом деле, дельфины свистят, скрежещут, рычат и поскрипывают на все лады. Более того, они имеют очень хорошо развитое внутреннее ухо и могут превосходно слышать все звуки, которые издают.

Естественно возникает вопрос: раз дельфины так необыкновенно сметливы и умеют издавать все эти звуки, то, может быть, они разговаривают? Для чего же еще необходима столь разнообразная звуковая артиллерия?

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.

Но даже самый высокий звук, доступный нашему слуху, имеет длину волны в 20 000 раз большую, чем длина волны красного света, так что мы вполне имеем право ожидать, что при встрече с препятствиями звук и свет будут вести себя совершенно по-разному.

И все же, чем меньше длина волны (то есть чем выше звук), тем более успешно препятствие определенного размера остановит и отразит звуковую волну. Дерево должно отражать 2-сантиметровые звуковые волны; но оно не окажет никакого воздействия на 22-метровую волну.

Тогда почему бы не подняться вверх по шкале частот и не извлечь какую-либо пользу из звуков столь высоких, что человеческое ухо их уже не воспринимает (это уже ультразвуки)? Существование таких неслышимых звуков можно легко обнаружить даже без специальных приборов. Можно, скажем, сделать ультразвуковой свисток, сигналов которого никто из людей не услышит. А служебные собаки, у которых диапазон воспринимаемых звуков больше, чем у человека, будут подчиняться командам, подаваемым таким свистком.

Получение ультразвуков в широком масштабе впервые стало возможным в результате открытия, сделанного в 1880 году братьями Пьером и Жаком Кюри. (Блестящий ученый Пьер Кюри женился, кстати говоря, на Марии Склодовской, знаменитой мадам Кюри, еще более блестящей звезде ученого мира.)

Братья Кюри обнаружили, что если пластинки, вырезанные определенным образом из кристаллов кварца, очень сильно сжимать (так, что они даже слегка деформируются), то на их противоположных гранях возникают небольшие электрические заряды. Это явление было названо пьезоэлектричеством (от греческого слова «пьезо» – давление). Кюри также открыли и обратный эффект: если к противоположным граням кристалла приделать плоские электроды и подать на них электрическое напряжение, то кристалл начнет деформироваться^[6]6
  Это обратное явление называется электрострикцией. Магнитное поле также вызывает деформацию кристаллов, так называемую магнитострикцию. – Прим. ред.


[Закрыть]. Отсюда стало ясно, что если электрическое поле на гранях кристалла быстро увеличивать и уменьшать, то кристалл будет с той же частотой сжиматься и распрямляться, создавая таким образом звуковые колебания соответствующей частоты. А если взять достаточно большую частоту колебаний, то получится даже ультразвуковая волна.

После изобретения радиолампы оказалось практически возможным создавать электрическое напряжение, меняющееся с ультразвуковой частотой. Французскому физику Полю Ланжевену удалось получить мощные ультразвуковые волны уже в 1917 году. Шла первая мировая война, и он сразу же попытался использовать то, что такие короткие волны способны более эффективно отражаться сравнительно небольшими препятствиями. Он применил ультразвук для обнаружения подводных лодок. Расстояние до объекта можно определить по промежутку времени, протекшему с момента излучения ультразвукового импульса до момента приема эха, и по скорости звука в воде (которая более чем вчетверо превышает скорость звука в воздухе благодаря большой упругости воды).

После первой мировой войны этот принцип использовался в мирных целях – для обнаружения косяков рыб и айсбергов, полностью погрузившихся под воду, для определения глубины океана, рельефа морского дна и т. д. Приборы, основанные на этом принципе, применялись и во время второй мировой войны (они назывались «сонар»).

* * *

Но, по-видимому, «сонар» – это одна из областей, в которых прочие виды животных опередили человечество на много миллионов лет.

Например, летучая мышь, этот умнейший пилот, искусно летает по весьма причудливому курсу. В мгновение ока меняя направление полета, летучая мышь ловит крошечных насекомых и легко избегает столкновения с такими небольшими препятствиями, как ветки. Это просто поразительно, если учесть, что она летает в сумерках.

В 1793 году итальянский ученый Ладзаро Спалланцани обнаружил, что летучие мыши могут ловить добычу и избегать препятствий в полной темноте, и даже если их ослепить. Однако они теряли эту способность, если их лишали слуха.

В начале 40-х годов нашего столетия американский физик Дж. Пирс изобрел прибор, позволяющий улавливать чрезвычайно слабые ультразвуки. И тогда сразу выяснилось, что летучие мыши непрестанно издают не только слабые писки, которые мы слышим, но и ультразвуки с частотой более 150 000 колебаний в секунду и, следовательно, с длиной волны менее 2 миллиметров (их мы не слышим).

Такие короткие волны прекрасно отражаются от насекомых и веток. Между вскриками летучие мыши улавливают эхо и выбирают дальнейший путь соответственно.

Точно так же поступают дельфины, обнаруживая, правда, не насекомых, а рыбу. Так как их жертвы побольше, дельфины не нуждаются в звуке столь высокой частоты и столь малой длины волны. Они действительно пользуются ультразвуками, но издают и звуки, хорошо слышимые человеческим ухом, – люди обычно сравнивают такие звуки со «скрипом».

Опыты, проведенные в 1955 году в Вудс Хол (штат Массачусетс), показали, что, когда дельфины «поскрипывают», они могут находить кусочки пищи размерами около 15 сантиметров даже в полной темноте. (Этими способностями дельфинов заинтересовался военно-морской флот в связи с попытками усовершенствовать существующие системы ультразвуковой локации.)

Вот в этом и заключается использование дельфинами звука не только для общения (я говорил об этом в начале главы). Жизнь в море так шумна, по всей вероятности, именно из-за необходимости добывать пищу и избегать врагов в условиях, когда света очень мало; поэтому зрение здесь гораздо менее полезно, чем на суше.

Но теперь возникает еще один вопрос. Если даже допустить, что звук у дельфинов служит прежде всего целям звуковой локации, то им достаточно было бы самого простого звукового устройства (такого, например, как у летучих мышей). Коль скоро дельфины развили очень сложный аппарат, позволяющий издавать самые разнообразные звуки, то не разумно ли предположить, что звук им служит и для других целей, требующих такого совершенства?

Чтобы прощупать путь к ответу на этот вопрос, обратимся к некоторым опытам, проведенным в Корнельском университете после 1940 года; там испытанию подвергались слепые, а также люди с нормальным зрением, которым завязывали глаза.

Им предлагали идти по длинному залу к фибролитовому экрану, который мог оказаться в любом месте зала (или его вообще убирали). Человек должен был остановиться, как только почувствует, что экран находится перед ним.

Все испытуемые блестяще справились с задачей, почти всякий раз обнаруживая экран уже примерно за два метра до него. Большинство из них убежденно доказывали, что они каким-то образом «чувствуют» близость экрана к лицу. Тогда головы им обернули мягкой тканью, поглощающей всякую воздушную волну, воздействующую на чувствительные волоски на лице; это, однако, не уменьшило их способности обнаруживать препятствие.

Но, когда испытуемым тщательно забинтовали уши, способность эта тотчас пропала. Возможно, слабое эхо шагов или каких-либо других случайных шумов выдавало присутствие экрана и люди, слепые от природы или просто с завязанными глазами, сами того не зная, пользовались звуковой локацией.

Способность пользоваться принципом звуковой локации (возможно, на заре развития человечества для этого и служил звуковой аппарат) не помешала развитию системы общения при помощи звуков, что теперь и является основной функцией наших голосовых связок. С этой точки зрения не так уж противоестественно звучит предположение, что дельфины, обладающие мозгом, слухом и звуковым аппаратом, не уступающими нашим, а возможно, и более совершенными, могли тоже дойти до речевого общения.

Откровенно говоря, я всей душой хочу, чтобы это предположение оказалось реальным. Перед человечеством стоит несколько проблем, которые, как мне думается, могли бы быть разрешены, если бы нам удалось только обсудить их с какими-нибудь существами, способными подойти к этим проблемам с новой, беспристрастной точки зрения.