Klangfarbe ), благодаря которому мы отличаем звучание скрипки, горна, церковного колокола, пианино... по единственной сыгранной ноте. И даже шумы обладают тембром, благодаря чему мы делаем заключения о происходящем; даже моей собаке знаком особенный шум, возникающий при открытии банки, из которой ей иногда достается печенье. Во всех этих случаях первостепенное значение имеет соотношение частот. Если они изменяются с одним и тем же коэффициентом, как при ускоренном или замедленном проигрывании граммофонной пластинки, вы без труда разберетесь в ситуации. Хотя имеются различия, обусловленные именно абсолютными значениями частот определенных составляющих. При ускоренном проигрывании грамзаписи, содержащей голос человека, гласные заметно изменяются, в частности, «a» в слове «car» становится похожей на «а» в слове «care». Звук с непрерывным частотным диапазоном всегда вызывает неприятные ощущения, независимо от того, последовательно, как в случае сирены или орущего кота, или одновременно (что сложно реализовать, разве что с помощью сонма сирен или полка котов) он воспринимается. И снова разительное отличие от восприятия света. Все обычно воспринимаемые нами цвета представляют собой непрерывные смеси; при этом плавные цветовые переходы, встречающиеся на полотнах художников и в природе, часто придают изображению особенную прелесть.
Основные характеристики звукового восприятия понятны, поскольку о строении уха у нас имеются более детальные и достоверные знания, чем о химии сетчатки. Главным органом является улитка , спиралеобразная костная трубочка, внешне напоминающая раковину морской улитки: крохотная винтовая лестница, ширина которой уменьшается с высотой. Вместо ступенек (продолжая наше образное сравнение) у нее имеются натянутые эластичные волокна, образующие мембрану, ширина которой (длина отдельного волокна) постепенно уменьшается от основания к вершине. Таким образом, как струны арфы или пианино, волокна различной длины реагируют механически на колебания различной частоты. На определенную частоту реагирует небольшая область мембраны – не просто одно волокно, – на более высокую частоту – другая область, в которой волокна короче. Механические колебания определенной частоты должны возбуждать в каждой из групп нервных волокон хорошо известные нервные импульсы, которые распространяются в определенные области коры головного мозга. Нам в целом известно, что процессы проводимости в различных нервах очень похожи и изменяются лишь в зависимости от амплитуды возбуждения; последняя влияет на частоту импульсов, которую, конечно, не следует путать с частотой звука в нашем случае (эти две частоты совершенно не связаны друг с другом).
Картина не так проста, как хотелось бы. Если бы перед физиком стояла задача сконструировать ухо, обеспечивающее своему владельцу возможность невероятно точного определения высоты звука и тембра, как оно и есть на самом деле, его конструкция была бы отличной. Впрочем, возможно, в итоге он бы пришел к существующей. Было бы проще и красивее, если бы мы могли сказать, что каждая конкретная «струна» в улитке реагирует на одну, строго определенную, частоту поступающего колебания. Это не так. Но почему? Потому что колебания этих «струн» сильно задемпфированы. Это, при необходимости, расширяет их область резонанса. Наш физик, вероятно, создал бы конструкцию с минимально возможным затуханием. И это имело бы ужасные последствия: восприятие звука не прекращалось бы немедленно после затухания соответствующей волны; оно длилось бы еще некоторое время, пока слабо задемпфированный резонатор в улитке не остановился. Улучшение способности определения высоты звука достигается за счет ухудшения способности определения очередности близких во времени звуков. Удивительно, как реальный механизм умудряется примирять обе вещи таким совершенным образом.
Я решил, вдаваясь в подробности, дать вам возможность почувствовать, что ни описание физика, ни описание физиолога не содержат ни малейшего намека на ощущение звука. Любое описание подобного рода будет вынуждено заканчиваться фразой типа «эти нервные импульсы передаются в определенный участок мозга, где они регистрируются как последовательность звуков». Мы можем проследить за изменением давления воздуха, которое вызывает колебания барабанной перепонки, мы видим, каким образом это движение передается цепочкой крохотных косточек к другой мембране и, в конце концов, к частям мембраны, расположенным в улитке, состоящей из волокон различной длины, как было описано выше. Мы, возможно, поймем, каким образом колеблющееся волокно запускает электрохимический процесс проводимости в подсоединенном нервном волокне. Мы можем проследить распространение вплоть до коры головного мозга, и, может быть, даже получим объективные знания о происходящих в ней процессах. Но мы нигде не встретим «регистрацию звука», которая попросту не содержится в нашей научной картине, а существует лишь в разуме человека, об ухе и мозге которого мы ведем речь.
Таким же образом можно было бы обсудить ощущения прикосновения, тепла и холода, запаха и вкуса. Два последних ощущения – химические ощущения, как их иногда называют (обоняние дает нам возможность изучения газов, вкус – изучения жидкостей) – имеют одну общую черту со зрительным ощущением: на бесконечное множество всевозможных стимулов они реагируют ограниченным многообразием качеств; в случае вкуса это такие качества, как горький, сладкий, кислый, соленый и их смеси. Обоняние, как мне кажется, более разнообразно, нежели вкус; в частности, у отдельных животных оно развито сильнее, чем у человека. Те объективные особенности физического или химического стимула, которые заметно модифицируют ощущение, по-видимому, варьируются очень сильно в царстве животных. Пчелы, например, обладают цветовым зрением, причем одна из границ воспринимаемого ими диапазона находится далеко в ультрафиолетовой области; они являются истинными трихроматами, а не дихроматами, как было установлено в ходе более ранних экспериментов, в которых ультрафиолетовая область не принималась во внимание. Особенно интересно то, что пчелы, как недавно выяснил в Мюнхене фон Фриш, обладают чувствительностью к поляризации света; это позволяет им чрезвычайно уверенно ориентироваться по солнцу. Для человека даже полностью поляризованный свет неотличим от обычного, неполяризованного. Летучие мыши, как выяснилось, обладают чувствительностью к высокочастотным колебаниям («ультразвуку»), частота которых намного превосходит верхнюю границу слышимого человеком диапазона; летучие мыши сами генерируют эти высокочастотные колебания, действуя наподобие радара, что помогает им избегать препятствий. Присущее человеку ощущение холода и тепла проявляет интересное свойство «les extr?mes se touchent»: при нечаянном прикосновении к очень холодному объекту может показаться, что мы обожглись.
Двадцать–тридцать лет назад химики в США открыли интересный состав, название которого я забыл – белый порошок, кажущийся одним безвкусным, а другим ужасно горьким. Этот факт вызвал большой интерес и с тех пор усиленно изучается. Качество быть «дегустатором» (данного вещества) является врожденной характеристикой индивида и не зависит ни от чего другого. Более того, оно наследуется согласно законам Менделя путем, хорошо известным нам из наследования характеристик групп крови. Как и в случае с последними, видимые преимущества или недостатки, обусловленные способностью к дегустации этого вещества, не наблюдаются. В гетерозиготах доминирует одна из двух «аллелей», как мне кажется, это аллель дегустатора. Мне представляется очень маловероятным, что это случайно открытое вещество является уникальным. Вполне может оказаться, что «о вкусах не спорят» в общем случае, причем в более чем прямом смысле!
Вернемся теперь к случаю со светом и заглянем чуть глубже в процесс его образования и то, как физик устанавливает его объективные характеристики. Насколько я понимаю, в настоящее время то, что свет излучается электронами, в частности, теми из них, которые «чем-то занимаются» вокруг ядра, является общеизвестным фактом. Электрон не окрашен в красный, зеленый, синий или какой-либо другой цвет; то же самое справедливо и в отношении протона – ядра атома водорода. Но их союз в атоме водорода, по словам физика, генерирует электромагнитное излучение с дискретным набором длин волн. Однородные составляющие этого излучения, разделенные призмой или оптической решеткой, вызывают у наблюдателя ощущения красного, зеленого, синего, фиолетового цветов посредством некоторых физиологических процессов, общий характер которых достаточно хорошо известен, чтобы утверждать, что они не являются красными, зелеными или синими; в реальности рассматриваемые нервные элементы не проявляют в результате возбуждения цвет; проявление нервных клеток, серых или белых, (не имеет значения, возбужденных или нет) определенно несущественно в отношении цветоощущения индивидуума, которое сопровождает возбуждение нервных клеток последнего.
И все же наши познания об излучении атома водорода и об объективных, физических свойствах этого излучения произошли из чьих-то наблюдений этих окрашенных спектральных линий, занимающих определенное положение в спектре излучения паров водорода. Это дало первое, но ни в коем случае не полное, знание. Чтобы добиться этого, необходимо сразу же избавиться от чувств и не допускать их вмешательства в процессе рассмотрения этого характерного примера. Сам по себе цвет ничего не говорит о длине волны; действительно, как уже было отмечено, например, желтая спектральная линия может не быть «монохроматической» с точки зрения физика, а состоять из множества длин волн, если бы мы не знали, что наш спектроскоп исключает самую возможность этого. Он собирает свет определенной длины волны в определенной точке спектра. Свет, который появляется там, всегда имеет один и тот же цвет независимо от того, из какого источника он происходит. Но даже если так, качество цветоощущения не дает каких-либо намеков на физическое качество – длину волны, не говоря уже о сравнительной слабости нашей способности различения оттенков, что, пожалуй, не удовлетворит физика. A priori можно было бы предположить, что ощущение синего вызывается длинными волнами, а ощущение красного – короткими, в отличие от того, как дело обстоит на самом деле.
Для завершения накопления знаний о физических свойствах света, излучаемого произвольным источником, потребуется специальный спектроскоп; разложение будет осуществляться при помощи дифракционной решетки. Призма не подойдет, потому что заранее неизвестны углы преломления волн различных длин, так как они зависят от материала, из которого изготовлена призма. Фактически, a priori в случае с призмой невозможно даже установить тот факт, что сильнее отклоняется более коротковолновое излучение, как это происходит в действительности.
Теория дифракционных решеток намного проще теории призм. Из основного физического предположения о свете, гласящего всего лишь, что свет имеет волновую природу, можно, измерив число эквидистантных бороздок решетки, приходящихся на один дюйм (которое обычно составляет много тысяч) точно определить угол отклонения заданной длины волны и, следовательно, обратно, можно определить длину волны исходя из «постоянной решетки» и угла отклонения. В некоторых случаях (особенно в эффектах Зеемана и Штарка) отдельные спектральные линии поляризованы. Для завершения физического описания в этом отношении, когда человеческий глаз совершенно нечувствителен, до разложения луча на его пути устанавливается поляризатор (призма Николя); при медленном вращении николя вокруг своей оси некоторые линии пропадают или ослабляются до минимальной яркости, при этом ориентация николя показывает направление (ортогональное лучу) их полной или частичной поляризации.
Когда этот опыт освоен, его можно расширить далеко за пределы видимого диапазона. Спектральные линии светящихся паров ни в коем случае не ограничены видимой областью, которая с физической точки зрения ничем не отличается. Эти линии образуют длинные, теоретически бесконечные ряды. Длины волн каждого ряда связаны сравнительно простым математическим законом, свойственным этому ряду, который выполняется для всего ряда без каких-либо отличий для той его части, которая по воле случая попала в видимую область. Эти законы сначала были обнаружены эмпирическим путем, сейчас у них уже имеется теоретическая база. Естественно, за пределами видимого диапазона глаз должна заменить фотопластинка. Длины волн определяются из чистого измерения длин: сначала, раз и навсегда, измеряется постоянная решетки, то есть расстояние между соседними бороздками (величина, обратная числу бороздок на единицу длины), затем измеряются положения линий на фотопластинке, откуда, зная размеры аппарата, можно вычислить углы отклонения.
Все эти вещи хорошо известны, но я бы хотел подчеркнуть два важных момента, имеющих отношение к практически любому физическому измерению.
То состояние дел, которое с некоторой степенью детализации было рассмотрено здесь, часто описывается таким образом: по мере совершенствования методов измерений наблюдатель постепенно заменяется все более и более совершенной техникой. Что касается рассматриваемого случая, это не так; наблюдатель не постепенно заменяется, а находится в таком положении с самого начала. Я пытался объяснить, что красочные впечатления наблюдателя об этом феномене не удостаивают его ни малейшего намека на физическую природу последнего. Необходимо иметь устройства для разлиновки решетки и измерения длин и углов – иметь их еще до того, как будет получено грубое качественное представление о том, что мы называем объективной физической природой света и его физических компонентов. И это уместный шаг. То, что устройство впоследствии постепенно модернизируется, оставаясь в сущности тем же самым, с гносеологической точки зрения неважно, какими бы серьезными эти улучшения ни были.
Второй момент заключается в том, что наблюдатель никогда полностью не заменяется приборами; потому что если бы это было так, он бы, очевидно, не получил никаких знаний. Он должен был сконструировать прибор и, в процессе конструирования или позже, тщательно снять его размеры и проверить движущиеся части (скажем, опорный рычаг, вращающийся вокруг конического пальца и скользящий вдоль круговой шкалы углов), чтобы удостовериться, что движение именно то, какое должно быть. Действительно, при проведении некоторых измерений и проверок подобного типа физик будет зависеть от завода, изготовившего и доставившего прибор; тем не менее, вся эта информация возвращается в итоге к чувственному восприятию некоторых живых персон, хотя для облегчения труда можно воспользоваться множеством оригинальных устройств. В конце концов наблюдатель должен, используя прибор для своих исследований, снять показания, будь это непосредственно считываемые значения углов или расстояний, измеряемых под микроскопом, или расстояния между спектральными линиями на фотопластинке. Для облегчения этой работы можно использовать множество вспомогательных устройств, например, фотометрическую запись прозрачности фотопластинки, которая позволяет получить увеличенную диаграмму, с которой легко считываются положения линий. Но их необходимо считать! Ощущения наблюдателя должны, наконец, выйти на сцену. Чрезвычайно тщательно сделанная, однако не исследованная, запись не говорит ни о чем.
Итак, мы возвращаемся к этому странному положению дел. В то время как прямое чувственное восприятие феномена ничего не говорит о его физической природе (или о том, что мы обычно так называем), и, как источник информации, должно быть отметено с самого начала, теоретическая картина, которую мы получаем, в конечном счете всецело базируется на сложном массиве информации, полученной путем непосредственного чувственного восприятия. Она базируется на нем, она составлена из него, но при этом нельзя сказать, что она его содержит. При использовании картины об этом обычно забывают, кроме того, когда, вообще говоря, нам известно, что идея волны света не является случайным изобретением (вроде изобретения кривошипа), а основана на опыте.
Я был удивлен, когда открыл для себя, что все это ясно понимал великий Демокрит в пятом веке до н.э., который ничего не знал о каких-либо устройствах для физических измерений, хотя бы отдаленно напоминающих те, о которых я рассказывал (и которые в наше время являются простейшими).
Гален сохранил для нас фрагмент (Дильс, фр.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10