Фрэнк Вильчек - Красота физики. Постигая устройство природы

Когда мы говорим об интервале в октаву, мы имеем в виду, например, что до первой октавы и до второй октавы с удвоенной частотой звучат одновременно. Чтобы упростить явление слияния до его сущности, давайте предположим, что с помощью электронных средств мы производим строго чистые звуки и что интенсивность (громкость) обоих одинакова. Эти параметры еще не дают нам уникальной инструкции по созданию формы результирующей звуковой волны, которую должен воспроизвести компьютер и которая достигнет нашего уха. Две синусоидальные волны не обязаны быть синхронизированными: пики одной из них могут совпадать или не совпадать с пиками другой. Мы говорим, что существует фазовый сдвиг между двумя тонами. Формы результирующей волны, построенные как функция от времени, могут выглядеть очень по-разному в зависимости от значения фазового сдвига. Но звучат-то они не по-разному! Я сам проводил этот опыт и еще многие, связанные с ним. Отклик базилярной мембраны разделяет звуки в пространственном отношении, но сохраняет информацию об их относительной фазе. (Так я понял из достаточно сложной для восприятия литературы. Эксперименты на структурных элементах внутреннего уха не просты и почти всегда проводятся в лабораторных условиях.) Тем не менее мы каким-то образом объединяем все эти возможности на низовом уровне обработки и распознаем результат как октаву до – и точка. Мы сводим воедино сигналы, представляющие непрерывный диапазон физических свойств, в единое восприятие, чтобы создать полезную абстракцию.

Тот же самый принцип остается в силе для других октав, основанных на других тонах, и для других комбинаций двух нот, пока их частоты не оказываются слишком близки. (В качестве предельного случая мы можем соединить два звука с одной и той же частотой и интенсивностью, но с разными фазами – и вместо октавы взять унисон. Теперь, меняя относительную фазу, мы будем всегда получать комбинированный тон с унисонной частотой, но с переменной фазой и интенсивностью [124] Последнее легко понять и без формулы сложения синусов: если два тона одинаковой частоты достигают нашего уха в противофазе, они должны погасить друг друга. – Прим. ред. . И зменения последней легко воспринимаются.)

Процесс преднамеренного объединения, или абстракции, имеет смысл как стратегия для обработки информации. В естественном мире и в мире простых музыкальных инструментов (в том числе голосов), в том или ином случае обычные источники часто создают октавы с различными, по большей части случайными относительными фазами. Если бы эти различные волновые формы воспринимались по-разному, мы были бы перегружены бесполезной в основном информацией и, возможно, с большим трудом смогли изучить, распознать и оценить полезное общее понятие октавы. По всей видимости, эволюция была рада облегчить эту нагрузку.

Подобным образом, люди с неидеальным музыкальным слухом – а это подавляющее большинство – смешивают большое количество отличающихся физически «октав», основанных на различных нотах (но см. обсуждение о запоминании немного ниже). Таким образом, они подавляют информацию и о фазе, и об абсолютной частоте, но сохраняют относительную частоту.

Принимая во внимание то, что может быть полезно подавить не относящуюся к делу информацию, чтобы создать полезную абстракцию, возникает вопрос, как это сделать. Это интересная проблема «обратного инжиниринга». Я могу придумать три простых, более или менее биологически возможных способа, которыми можно этого добиться:

• Нервные клетки (или небольшие сети нервных клеток), которые отвечают на колебание в разных частях базилярной мембраны, могут быть механически, электрически или химически соединены друг с другом таким образом, чтобы их отклики были синхронизированы по фазе. Это явление в физике и инженерном деле известно как фазовая синхронизация . Легкий вариант реализации этой концепции состоит в том, что может существовать класс нервных клеток, который получает колебательные сигналы от двух таких нервных клеток (или напрямую от колеблющихся волосковых клеток во внутреннем ухе) и отвечает таким способом, который не зависит от их относительной фазы.

• Могут быть банки (группы) нервных клеток, которые реагируют на колебания в любой точке базилярной мембраны с разными сдвигами по фазе. Когда две группы выходных сигналов, соответствующие двум разным местоположениям, совмещаются, среди них обязательно будет такие, которые синхронизированы. Последующий уровень нервных клеток, получающий входящий сигнал от этих банков, может сильнее реагировать на эти синхронизированные пары.

• Могут быть стандартные представители для каждой частоты – нервные клетки, выход которых фиксирован по отношению к общему временному механизму. Тогда относительная фаза между стандартными представителями всегда будет одной и той же, какой бы ни была относительная фаза входного сигнала.

Я не вношу в этот список простую, но радикальную возможность просто закодировать места, где базилярная мембрана сильно вибрирует, вообще не разбираясь во временной структуре пиков и впадин. (Это аналогично тому, что происходит с электромагнитными колебаниями в процессе зрительного восприятия.) При таком кодировании фазовая информация, конечно, теряется, но я думаю, что это уже слишком. Так мы не сумели бы объяснить открытие Пифагора, поскольку отношения частот более не соотносились бы с закономерностями закодированного сигнала.

Бенджамин Франклин страстно увлекался музыкой. Он великолепно играл на стеклянной гармонике – утонченном инструменте, для которого Моцарт написал очень красивую пьесу (адажио К-356, доступную бесплатно на нескольких сайтах в Интернете). В письме лорду Камесу (1765 г.) Франклин сделал несколько ценных замечаний о музыке, в том числе это, особенно глубокое:

На самом деле в обычном восприятии только согласованная последовательность звуков называется мелодией и только сосуществование согласующихся звуков – гармонией. Но поскольку память способна запоминать на некоторое время идеальный образ высоты прозвучавшего звука, чтобы затем сравнить ее с высотой последующего звука и судить истинно об их согласованности или несогласованности, из этого может возникать и возникает чувство гармонии между настоящим и прошлым звуками, доставляющее такое же удовольствие, как от двух звучащих в настоящий момент звуков.

Тот факт, что мы можем сравнивать частоты тонов, сыгранных в немного разное время, является сильным доводом в пользу существования сети нервных клеток, которые воспроизводят и ненадолго запоминают принятый рисунок колебаний. Эта вероятность, думаю, хорошо согласуется с нашей обычной идеей представления, поскольку такие сети могут воплощать стандартные представления. Здесь заслуживает внимания то, что восприятие относительной высоты звука соответствует простому сравнению стандартных представлений, а это иная задача, нежели узнавание абсолютной высоты звука.