Читати книгу - "Сліпий годинникар"

щоб міцно стояти на якорі, пливе через ставок, у загальному напрямку до центру, з якого колами розходяться хвилі. Він усе одно гойдатиметься вгору і вниз, натикаючись на послідовні хвильові фронти. Але тепер частота, з якою він натикається на хвилі, буде вищою, оскільки він прямує до їх джерела. Він гойдатиметься вгору і вниз із вищою частотою. З іншого боку, коли він промине джерело хвиль і рухатиметься до протилежного берега ставка, частота, з якою він гойдатиметься вгору і вниз, очевидно зменшиться.

З тієї самої причини, якщо швидко їхати на мотоциклі (краще тихому) повз заводську сирену, що завиває, за наближення до заводу тон звуку зростатиме: наші вуха, по суті, вихоплюють хвилі на більшій частоті, ніж якби ми сиділи на одному місці. За аналогією з корабликом, коли наш мотоцикл промине завод і віддалятиметься від нього, тон буде знижуватись. Якщо ми припинимо рухатись, то почуємо тон сирени таким, яким він є насправді, — проміжним між двома тонами з доплерівським зсувом. Звідси випливає, що знаючи точно справжній тон сирени, теоретично можна розрахувати, як швидко ми рухаємося до чи від неї, просто дослухаючись до тону звуку та порівнюючи його з відомим нам тоном.

Той самий принцип працює, коли джерело звуку рухається, а слухач стоїть на місці. Ось чому це працює для «швидкої». Не дуже віриться, але подейкують, що сам Крістіан Доплер продемонстрував свій ефект, найнявши мідний духовий оркестр грати на відкритій залізничній платформі, що мчала повз його вражених слухачів. Значення має саме відносний рух, причому з погляду доплерівського ефекту не важливо, говоримо ми про джерело звуку, що проминає вухо, чи про вухо, що проминає джерело звуку. Якщо два потяги проминають один одного у протилежних напрямках, кожен зі швидкістю 200 км/год, пасажир одного потягу почує свист другого потягу, що затухає через особливо різкий доплерівський зсув, оскільки відносна швидкість тут становить 400 км/год.

Доплерівський ефект використовується в поліцейських радарах для контролю швидкості дорожнього руху. Нерухомий інструмент випромінює сигнали радара вздовж дороги. Радарні хвилі відбиваються від автівок, що наближаються, і реєструються приймальним апаратом. Що швидше рухається та чи інша автівка, то вищим є доплерівський зсув частоти. Порівнюючи частоту імпульсу з частотою зворотного відлуння, поліція (чи радше її автоматичний інструмент) може розрахувати швидкість кожної автівки. Якщо поліція може використовувати цю техніку для вимірювання швидкості порушників правил дорожнього руху, то чи можна сподіватися, що кажани використовують її для вимірювання швидкості комахи-здобичі?

Відповідь ствердна. Дрібні кажани підковоноси здавна відомі тим, що видають довгі гудки з фіксованим тоном, а не часте клацання чи низхідні «вовчі посвисти». Коли я кажу «довгі», то маю на увазі довгі за мірками кажанів. Тривалість цих «гудків» усе одно менша за десяті частки секунди. При цьому, як ми побачимо нижче, до кінця кожного гудка часто прикріплюється «вовчий посвист». Уявімо спочатку підковоноса, що видає безперервний ультразвуковий гул, швидко підлітаючи до нерухомого об’єкта на кшталт дерева. Хвильові фронти натикатимуться на дерево з вищою частотою через рух кажана у бік дерева. Якби в дереві був схований мікрофон, він би «почув» доплерівський зсув звуку в бік підвищення тону через рух кажана. Мікрофона в дереві немає, але відлуння, відбите від нього, матиме доплерівський зсув у бік підвищення тону саме таким чином. Тепер, коли хвильові фронти відлуння повертаються від дерева до кажана, що наближається, кажан усе ще швидко рухається до них. Тому відбувається подальший доплерівський зсув у бік підвищення в сприйнятті кажаном тону відлуння. Рух кажана приводить до своєрідного подвійного доплерівського зсуву, величина якого є точним індикатором його швидкості відносно дерева. Таким чином, порівнюючи тон свого крику з тоном зворотного відлуння, кажан (чи, радше, його «бортовий комп’ютер» у мозку) міг би, в теорії, розрахувати, як швидко він рухається до дерева. Це не сказало б кажанові, як далеко від нього дерево, але все одно могло би бути дуже корисною інформацією.

Якби ж об’єктом, що відбиває звук, було не статичне дерево, а рухома комаха, доплерівські ефекти були б складнішими, але кажан усе одно міг би розрахувати швидкість відносного руху — свого і своєї цілі; очевидно, це саме та інформація, якої потребує така досконала «керована ракета», як кажан на полюванні. Деякі кажани демонструють цікавіший трюк, аніж просто видавання гудків незмінного тону та вимірювання тону відлуння. Вони ретельно коригують тон вихідних гудків таким чином, аби підтримувати тон відлуння незмінним після його доплерівського зсуву. У міру швидкого наближення до комахи вони постійно змінюють тон своїх криків, безперервно шукаючи саме той, який потрібен для підтримання зворотного відлуння на фіксованій частоті. Цей винахідливий трюк підтримує відлуння на частоті, до якої їхні вуха є максимально чутливими, — що важливо, оскільки відлуння є такими слабкими. Після цього вони можуть отримати необхідну інформацію для своїх доплерівських розрахунків, моніторячи частоту, на якій вони зобов’язані гудіти, аби досягти відлуння з фіксованою частотою. Я не знаю, чи використовується цей хитрий трюк у створених людиною пристроях на кшталт сонара чи радара. Але зважаючи на те, що найрозумніші ідеї в цій галузі, схоже, були вперше розроблені кажанами, я не проти побитися об заклад, що відповідь буде ствердною.

Залишається лише сподіватися, що ці дві доволі різні техніки — доплерівського зсуву та «РЛС із внутрішньоімпульс­ною лінійною частотною модуляцією» — будуть корисними для різних спеціальних призначень. Одні групи кажанів спеціалізуються на одній із них, тоді як інші — на другій. Деякі групи, схоже, намагаються взяти максимум від обох світів, прикріплюючи частотномодульований «вовчий посвист» до кінця (чи іноді до початку) довгого «гудка» з незмінною частотою. Інший цікавий трюк підковоносів стосується рухів їхніх зовнішніх вух. На відміну від інших кажанів, підковоноси рухають своїми зовнішніми вухами швидкими позмінними махами вперед-назад. Можливо, цей додатковий швидкий рух слухової поверхні відносно цілі спричинює корисні модуляції доплерівського зсуву, що постачають додаткову інформацію. Коли вухо махає в напрямку до цілі, видима швидкість руху до неї зростає. Коли ж воно махає від цілі, відбувається зворотний процес. Мозок кажана «знає» напрямок махів кожного вуха і, в принципі, може зробити необхідні розрахунки для використання цієї інформації.

Можливо, найскладнішою проблемою з усіх, із якими стикаються кажани, є небезпека ненавмисного «заглушення» криками інших кажанів. Експериментатори виявили, що збити кажанів з їхнього шляху, вмикаючи гучний штучний ультразвук, на диво важко. Щоправда, це можна було передбачити. Кажани, мабуть, розв’язали проблему уникнення заглушення ще в сиву давнину. Багато видів влаштовуються на відпочинок величезними скупченнями у печерах, що, мабуть, є оглушливим сонмищем ультразвуку й відлунь, однак кажани здатні швидко літати цими печерами, уникаючи стін та один одного у цілковитій темряві. Як же кажан не збивається зі своїх власних відлунь і уникає плутанини з відлуннями інших? Першим рішенням, що могло б спасти на думку інженерові, є якесь частотне кодування: кожен кажан міг би мати свою власну приватну частоту, як-от у окремих радіостанцій. До певної міри так і є, але це, в будь-якому разі, ще не вся історія.

Як саме кажани уникають заглушення іншими кажанами, до кінця не зрозуміло,