Во все уши. Про многозадачный орган, благодаря которому мы слышим, сохраняем рассудок и держим равновесие
Шрифт:
Акустический концерт, акт первый: о волнах, которые на самом деле представляют собой сферы
Чтобы понять, как развивался наш слух и на какие невероятные достижения он способен, сначала следует обратиться к вездесущему явлению природы – звуку. Мы установили, что доисторические рыбы посредством волосковых клеток в органе боковой линии могли чувствовать простые движения воды, но еще не звук, или, точнее, звуковые волны. Вы, определенно, много раз слышали этот термин, и, возможно, он вызывал те же ассоциации, что и у меня: я представлял себе волны на поверхности воды, подобные тем, какие можно увидеть на озере или море. Я считал, что и звук похожим образом раскачивается вверх и вниз по воздуху. Однако такое представление ошибочно: звуковые волны выглядят совершенно
Вообще, они для нас, конечно, ни на что не похожи, ведь наши глаза не могут их различить. Чтобы получить наглядное представление о том, что такое звуковые волны и как они распространяются, придется покинуть мир видимого. Предположим, вы хлопаете в ладоши, а мы увеличиваем это движение с помощью гигантского микроскопа. Тогда мы смогли бы увидеть, что пространство между ладонями и вокруг него вовсе не пустое. Там носятся миллионы молекул воздуха. Для простоты на мгновение представим их в виде маленьких синих шариков (даже если какой-нибудь специалист по физике элементарных частиц, услышав такое сравнение, начнет рвать на себе волосы). До того, как ваши руки приходят в движение, эти шарики парят между ними, равномерно распределившись в пространстве. Через наш микроскоп мы можем наблюдать все, как в замедленной съемке: ладони медленно двигаются навстречу друг другу и сильнее сдвигают шарики. Синий цвет сгущается между руками, так как все больше молекул воздуха сталкиваются друг с другом. Затем ладони встречаются, и в этот момент раздается звук хлопка. По логике вещей, когда руки соприкасаются, между ними едва ли остается место для синих молекул воздуха. Они резко выдавливаются по бокам. Молекулы толкают соседние молекулы, которые также врезаются в соседей и приводят их в движение. Поскольку частицы не всегда отлетают прямо вперед, но и смещаются в стороны, рикошеты образуют замкнутую сферу вокруг ваших рук. Это достойно стоп-кадра. Итак, пауза!
Мы плавно приближаем внутренность сферы и обнаруживаем, что здесь молекулы снова распределились равномерно, как до хлопка в ладоши. Таким образом, плотная синяя стенка сферы имеет определенную толщину, и это сгущение всегда передается соседним группам молекул. Шарики толкают шарики, словно опрокидывающие друг друга костяшки домино. Отличие от домино в том, что молекулы сами возвращаются к первоначальному расстоянию друг от друга, а костяшки просто остаются лежать. Конечно, в итоге ни одна молекула не оказывается именно в том месте, где была раньше, но дистанция между ними сохраняется такой же, как и прежде. Потому что частицы в состоянии покоя отталкиваются друг от друга и удерживаются на расстоянии.
Давайте продолжим смотреть фильм в замедленной съемке. Сфера расширяется и становится все больше, распространяясь на всю комнату, и ее часть проникает в ваши слуховые проходы. Как только молекулы воздуха достигают барабанной перепонки, эта крошечная пленочка начинает вибрировать. Это позволяет услышать хлопок после его преобразования в среднем и внутреннем ухе.
Теперь подведем итог тому, что мы узнали о распространении звуковых волн при хлопке:
• состоят из молекул воздуха, которые толкают друг друга подобно костяшкам домино;
• распространяются сферически вокруг источника звука;
• стенка звуковой сферы состоит из прижатых друг к другу молекул воздуха, в то время как внутри нее преобладает первоначальная плотность воздуха;
• звуковые волны – это не что иное, как систематическое изменение давления воздуха, которое распространяется в пространстве.
Акустический концерт, акт второй: о волнах, которые на самом деле представляют собой луковицы
Большинство шумов сложнее, чем простой хлопок. В отличие от упомянутого в начале Большого взрыва, они на самом деле представляют собой взрыв, то есть резкое изменение плотности воздуха. Это довольно громкий, но очень короткий звук.
Как выглядит звуковая волна при более длительном звучании? Например, в случае свиста или работающего
Для нашего микроскопа подойдет пример звенящего бокала для вина. Если ударить по бокалу ложкой, он завибрирует, сталкиваясь при этом с окружающими молекулами воздуха. Здесь движение снова распространяется сферически, но вместо одной сферы в течение всей продолжительности колебаний постоянно создаются новые. На неподвижном кадре формирование молекул воздуха вокруг бокала выглядит как луковица. При рассмотрении в замедленной съемке отдельные ее слои непрерывно перемещаются изнутри наружу, увеличиваясь при этом.
Акустический концерт, акт третий: о волнах, которые представляют собой сплошной хаос
То, что мы увидели под микроскопом, – не что иное, как игра воображения. В реальной жизни ситуация выглядит гораздо сложнее. Прежде всего, все происходит безумно быстро: звук распространяется в воздухе со скоростью около 343 метров в секунду – независимо от того, хлопаете вы в ладоши или стучите по бокалу, за доли секунды доминоподобное движение молекул уже достигает стен, потолка и пола помещения. Молекулы отскакивают от каждой преграды и выбрасываются в пространство под разными углами. Их траекторию способны изменить даже предметы мебели.
Кроме того, в повседневной жизни ни один звук практически никогда не получается услышать отдельно. Предположим, в ресторане, где кто-то намеревается сказать тост перед большой компанией, собравшейся отпраздновать свадьбу, ударили по бокалу. Вокруг слышны голоса, звон столовых приборов, шелест одежды, шаги официантов, тихая фоновая музыка, шум автомобилей на улице. Все эти источники шума образуют звуковые сферы и луковицы, перекрывающие друг друга. Молекулы, которые оттолкнулись от одного источника звука, в воздухе встречаются с другими движущимися молекулами и сбиваются с курса. Стены, люстры, столы и человеческие тела отклоняют движения. Если на стоп-кадре, сделанном в этом ресторане, мы начнем искать сферу или луковицу, то не найдем ее. Вместо этого, по всей вероятности, обнаружим лишь сплошной хаос диких завихрений перемешанных молекул воздуха.
Для наших ушей все по-другому! В этом хаосе они способны определить, откуда исходит звук и что он означает. Музыка слышится как музыка, звон бокалов – как звон бокалов, голоса – как голоса. Звон бокала доносится от столика в центре, шаги официанта – справа, смех гостя – слева. Благодаря ушам мы распознаем все это, ни на минуту не задумываясь.
В конце концов, всеми акустическими впечатлениями мы обязаны малейшим колебаниям пленочки, которая не больше ногтя на мизинце, – барабанной перепонке. Эта высокочувствительная мембрана может ощущать воздействие даже отдельных молекул воздуха. Без барабанной перепонки мы были бы практически глухими. Итак, пришло время узнать, как, собственно, появилась в ухе драгоценная перепонка.
Водные обитатели выходят на сушу: дыхание через уши
Звуковые волны в воде распространяются так же сферически, как и в воздухе. Однако в жидкой среде они достигают скорости около 1500 метров в секунду, что быстрее более чем в четыре раза. Волосковые клетки в органе боковой линии первобытных рыб не могли их воспринимать. Когда именно у рыб развился слух, можно только догадываться. Знания о существах, живших на нашей планете сотни миллионов лет назад, получают в основном от ископаемых – окаменелостей вымерших животных. К сожалению, внутренние структуры их тел часто не сохраняются. Это касается и частей уха, таких как барабанная перепонка. Тем не менее исследователи могут делать выводы о наших давних предках, обитавших в воде, по животным, которых можно встретить и по сей день. В поисках источника происхождения слуха особенно помогают всем известные кистеперые рыбы. Эти существа считаются живыми ископаемыми, потому что вплоть до прошлого века считалось, что они вымерли около 70 миллионов лет назад. Это возраст наиболее свежих окаменелых находок, самые же древние насчитывают более 400 миллионов лет. На самом деле в водных глубинах скрывались животные длиной до двух метров – первый живой экземпляр был обнаружен в 1938 году у побережья Южной Африки. Даже сегодня мы можем наблюдать там этот древний вид, а также перед одним из индонезийских островов.