Ричард Докинз - Слепой часовщик. Как эволюция доказывает отсутствие замысла во Вселенной

Затем наш инженер мог бы задуматься о следующей проблеме. Раз принцип работы сонара основан на измерении продолжительности паузы между звуком и его эхом — прием, которым, очевидно, пользуется Rousettus , — то издаваемым звукам следовало бы, по всей вероятности, быть отрывистыми, стаккато. Долгий, протяжный звук может не успеть закончиться к моменту возвращения эха и, даже будучи отчасти приглушен мускулами автоматического переключения передачи и приема, помешать восприятию. Действительно, может показаться, что в идеале импульсы рукокрылых должны быть чрезвычайно короткими. Однако чем короче звук, тем сложнее сделать его достаточно мощным, чтобы произвести хоть сколько-нибудь приемлемое эхо. Похоже, законы физики ставят нас перед необходимостью еще одного неприятного компромисса. Искусным инженерам тут могли бы прийти в голову два решения, и они действительно пришли им в голову при встрече с аналогичной проблемой — только опять-таки это было в ходе разработки радара. Какое из данных двух решений предпочтительнее, зависит от того, что важнее измерить: дальность (на каком расстоянии от прибора находится объект) или скорость (насколько быстро объект перемещается относительно прибора). Первое решение известно специалистам по радиолокации как “чирплет-радар”.

Сигналы радара можно представить как серию импульсов, однако каждый импульс характеризуется так называемой несущей частотой, которая аналогична “высоте” звука или ультразвука. Как мы знаем, крики летучих мышей повторяются с периодичностью, равной десяткам или сотням в секунду. Несущая частота каждого из этих импульсов измеряется десятками и сотнями тысяч повторяющихся циклов в секунду. Другими словами, каждый импульс — это высокий, пронзительный визг. Точно так же и каждый сигнал радара представляет собой “визг” радиоволн, отличающийся высокой несущей частотой. Особенностью чирплет-радара является то, что на протяжении каждого его “взвизгивания” несущая частота не является неизменной, а “взмывает” или “сползает” приблизительно на октаву. Если вам нужен эквивалентный звуковой образ, то представьте себе, что во время каждого импульса радар как бы присвистывает от удивления. Преимущество чирплет-радара перед радаром с фиксированной высотой импульсов состоит в следующем. Неважно, закончился исходящий “присвист” к моменту возвращения своего эха или еще нет. Их все равно не перепутаешь. Ведь эхо, улавливаемое в каждый конкретный момент времени, будет отражением более ранней части сигнала и потому иметь отличную от него частоту.

Разработчики человеческого радара извлекли немалую пользу из этой остроумной методики. А есть ли доказательства в пользу того, что летучие мыши тоже ее “открыли”, как это было с автоматизированной передачей и приемом? Ну, вообще-то многие виды рукокрылых действительно издают крики, высота которых постепенно снижается примерно на октаву. Такие “присвистывающие” сигналы называются частотно-модулированными ( frequency modulated, FM ). Казалось бы, это именно то, что нужно, чтобы воспользоваться принципом чирплет-радара. Тем не менее имеющиеся на сегодняшний день факты говорят о том, что летучие мыши используют этот метод не для того, чтобы отличать эхо от исходного сигнала, а для более тонкой задачи — чтобы отличать одно эхо от другого. Летучая мышь живет в мире эха, которое доносится от близких объектов, дальних объектов и от объектов, находящихся на всевозможных промежуточных расстояниях. Все эти звуковые отражения ей необходимо рассортировать. Если издавать плавно понижающиеся “присвистывания”, то можно провести четкую сортировку по высоте. Эхо, вернувшееся наконец от удаленного объекта, будет “старше”, чем эхо, которое в тот же момент пришло от объекта, расположенного поблизости. А значит, высота первого эха будет больше. Услышав несколько отраженных сигналов сразу, летучая мышь может положиться на простое практическое правило: чем звук выше, тем объект дальше.

Вторая идея, которая могла бы прийти в голову умному инженеру, особенно если он заинтересован в определении скорости движущейся мишени, — это сыграть на явлении, которое физики называют допплеровским смещением. Также его можно было бы назвать “эффектом скорой помощи”, поскольку наиболее известный его пример — это резкое падение высоты звука сирены у машины скорой помощи, после того как она промчится мимо нас. Допплеровское смещение наблюдается во всех случаях, когда источник звука (или света, или любых других волн) и его получатель движутся друг относительно друга. Для большей простоты представим себе, что источник звука неподвижен, а слушатель перемещается. Допустим, фабричная сирена непрерывно гудит на одной ноте. Звук распространяется вовне в виде идущих одна за другой волн. Эти волны невидимы, они из уплотненного воздуха. Но если бы их можно было увидеть, то они были бы похожи на концентрические окружности, расходящиеся по поверхности спокойного пруда от брошенных камешков. Представьте, что мы бросаем туда камешек за камешком, так что волны образуются непрерывно. Если в какой-нибудь точке этого пруда поставить на якорь игрушечную лодочку, то она будет ритмично подниматься и опускаться по мере прохождения под ней волн. Частота покачиваний лодочки аналогична высоте звука. Теперь давайте вообразим, что вместо того, чтобы стоять на якоре, наша лодочка плывет через пруд по направлению к центру, где возникают расходящиеся волны-окружности. Она по-прежнему будет покачиваться вверх-вниз, встречаясь с идущими друг за другом волнами. Но теперь, направляясь к источнику волн, она будет сталкиваться с ними чаще. Частота ее покачиваний будет выше. Когда же она минует источник волн и направится к противоположному берегу, частота, с которой она покачивается, очевидным образом уменьшится.

По тем же причинам, если мы будем мчаться на мотоцикле (желательно бесшумном) мимо гудящей фабричной сирены, то, пока мы приближаемся к фабрике, звук будет завышенным — фактически наши уши будет “накрывать” звуковой волной чаще, чем если бы мы просто сидели на одном месте. Из этих же рассуждений следует, что, когда наш мотоцикл проедет мимо фабрики и начнет от нее удаляться, высота звука понизится. Если мы остановимся, то услышим сигнал такой высоты, какая она есть на самом деле, — промежуточная между двумя значениями с допплеровским сдвигом частоты. Получается, что, зная точную высоту тона сирены, теоретически возможно вычислить, с какой скоростью мы движемся по направлению к ней или от нее. Для этого надо просто сравнить слышимую высоту звука с ее известным нам “настоящим” значением.

Этот принцип точно так же действует, когда источник звука перемещается, а слушатель неподвижен. Потому мы и можем наблюдать его в случае со скорой помощью. Ходят довольно неправдоподобные россказни, будто бы сам Кристиан Допплер, чтобы продемонстрировать свое открытие, нанял духовой оркестр, который играл на открытой грузовой платформе, несущейся по рельсам мимо изумленной публики. Что действительно важно, так это относительное движение, и, покуда речь идет о допплеровском эффекте, нам все равно — источник звука перемещается мимо уха или ухо мимо источника звука. Если два поезда едут в противоположных направлениях со скоростью 125 миль в час каждый, то для пассажира, находящегося в одном из них, свисток другого поезда должен резко понизить высоту в результате особенно значительного допплеровского смещения, поскольку относительная скорость будет составлять целых 250 миль в час.