Така швидкість звуку в повітрі за кімнатної температури. Вона може значно змінюватися залежно від середовища, в якому поширюється звук. У воді швидкість звуку в чотири рази більша, а в залізі — у 15 разів більша, ніж у повітрі.
Швидкість світла (як і будь-яке електромагнітне випромінювання) у вакуумі — це відома стала, що позначають літерою c і яка приблизно становить 300 000 кілометрів за секунду, але у воді швидкість видимого світла десь на третину менша.
Повернімося до камертона. Коли хвиля, яку він створює, досягає нашого вуха, вона тисне на барабанну перетинку із тією самою частотою, з якою камертон тисне на повітря. Потім, за допомогою майже абсурдно складного процесу, барабанна перетинка передає коливання слуховим кісточкам середнього вуха, які мають чудові назви: молоточок, коваделко і стремінце, а вони, своєю чергою, створюють хвилі в рідині внутрішнього вуха. Потім ці хвилі перетворюються на електричні нервові імпульси й надходять у мозок, який інтерпретує ці сигнали як звук. Нічогенький процес.
Звукові хвилі (точніше, будь-які хвилі) мають три основні характеристики — частоту, довжину й амплітуду. Частота — це кількість хвиль, що проходить через певну точку за певний проміжок часу. Можливо, дивлячись на хвилі в океані з човна або круїзного судна, ви помітили, що за хвилину прокотилося, наприклад, десяток хвиль. Отже, можна було б сказати, що їхня частота — десять за хвилину. Але насправді для вимірювання частоти зазвичай використовують одиницю, що показує кількість коливань за секунду й має назву герц, або скорочено Гц. Двісті коливань за секунду — це 200 герців.
Що ж до довжини хвилі, то це відстань між її сусідніми гребенями — або між сусідніми западинами. Одна з головних особливостей хвиль: що вища частота, то коротша хвиля, і навпаки — що довша хвиля, то нижча частота. Тут ми підійшли до надзвичайно важливої сукупності взаємозв’язків — системи відношень між швидкістю, частотою і довжиною хвилі. Довжина хвилі — це її швидкість, поділена на частоту. Це справедливо як для електромагнітних хвиль (рентгенівські промені, видиме світло, інфрачервоне випромінювання і радіохвилі), так і для звукових хвиль у ванні та хвиль в океані. Наприклад, довжина хвилі для звуку із частотою 440 герців (ля першої октави на фортепіано) у повітрі дорівнює 340, поділеному на 440, тобто 0,77 метра.
Якщо на хвильку над цим замислитися, ви побачите, що все цілком логічно. Швидкість звуку в певному середовищі постійна (за винятком газів, де вона залежить від температури), тому що більше хвиль проходить за певний проміжок часу, то коротшими вони мають бути, щоб укластися в цей час. Справедливе також і протилежне твердження: що менше хвиль проходить у певний проміжок часу, то довшими вони мають бути. Довжина хвиль різних видів вимірюється в різних одиницях. Наприклад, довжину звукових хвиль ми вимірюємо в метрах, тоді як світлових — у нанометрах (мільярдна частина метра).
А що з амплітудою? Ще раз пригадайте хвилі в океані, які можна спостерігати із човна. Ви побачите, що деякі хвилі вищі за інші, навіть якщо їхня довжина однакова. Ця характеристика хвиль називається амплітудою. Від амплітуди звукової хвилі залежить гучність звуку: більша амплітуда означає гучніший звук, і навпаки. Так стається тому, що хвиля з більшою амплітудою переносить більше енергії. Як скаже будь-який серфінгіст, що вища хвиля, то більше в ній енергії. Коли ви сильніше вдаряєте по струнах гітари, то надаєте їм більше енергії і звук стає гучнішим. Амплітуда морських хвиль вимірюється в метрах і сантиметрах. Для звукової хвилі, що поширюється в повітрі, амплітудою була б відстань, на яку, коливаючись, зміщуються молекули повітря, але її так ніколи не виражають. Натомість ми вимірюємо гучність звуку, що виражається в децибелах. Шкала децибелів досить складна. На щастя, вам не обов’язково про неї знати.
З іншого боку, висота звуку, тобто його розташування в музичній гамі, залежить від його частоти. Що більша частота, то вищий тон. Що менша частота, то він нижчий. Граючи музику або співаючи, ми постійно змінюємо частоту (а отже, й висоту) звуку.
Людське вухо сприймає велетенський діапазон частот — від приблизно 20 герців (найнижча нота на фортепіано має частоту 27,5 герца) аж до орієнтовно 20 000 герців. На лекціях я демонструю надзвичайно цікавий експеримент, під час якого використовую аудіометр — звуковий прилад, що створює коливання різної частоти й сили. Я прошу студентів підняти руку й не опускати її, поки вони чують звук. Поступово я підвищую частоту. З віком більшість із нас перестає чути звуки високих частот. Мій верхній поріг сприйняття звуку — приблизно 4000 герців, нота до п’ятої октави, що в самому кінці клавіатури фортепіано. Але коли я вже не чую нічого, студенти ще довго можуть чути значно вищі ноти. Я знову й знову повертаю ручку регулятора: 10 000, потім 15 000 герців — і руки починають опускатися. На висоті 20 000 герців тільки приблизно половина студентів усе ще тримає руку. Тоді я сповільнююся: 21 000, 22 000, 23 000. Коли я доходжу до 24 000 герців, піднятими залишаються зазвичай лише кілька рук. У цей момент я вдаюся до невеличкого виверту. Я вимикаю прилад, але вдаю, наче ще підвищив частоту — до 27 000 герців. Один чи два сміливці стверджують, що чують ці надвисокі ноти, — і тоді я обережно розкриваю свої карти. Це лише жарт.
А тепер подумайте про те, як звучить камертон. Якщо вдарити по ньому сильніше, кількість коливань, які здійснюють його зубці за секунду, не зміниться. Отже, й частота хвиль, що від нього поширюються, залишиться такою самою. Саме тому він завжди дає звук однакової висоти. Проте амплітуда коливань зубців камертона зростає, якщо вдарити по ньому сильніше. Побачити це можна, якщо записати на відео, як ви вдаряєте в камертон, а потім переглянути запис у режимі сповільненого відтворення. Зубці камертона хитатимуться тим більше, чим сильніше ви по ньому вдарите. Через зростання амплітуди звук буде гучнішим, але оскільки частота коливань не змінюється, звучатиме та сама нота. Хіба не дивно? Якщо трохи подумати, це те саме, що з маятником (див. розділ 3), період коливань якого (тобто час одного повного коливання) не залежить від амплітуди.
Звукові хвилі в космосі?
Чи зберігається цей взаємозв’язок основних характеристик звуку за межами Землі? Ви чули, що звук не поширюється в космосі? Це означатиме, що навіть якщо максимально енергійно грати на фортепіано на поверхні Місяця, не пролунає жодного звуку. Невже це правда? Так, на Місяці немає атмосфери — там майже вакуум. Звідси можна було б зробити висновок, для когось, мабуть, невтішний, що навіть найвидовищніші спалахи зір і зіткнення галактик відбуваються в цілковитій тиші. Можна було б навіть припустити, що і Великий вибух, первісний вибух, з якого приблизно 14 мільярдів років тому утворився Всесвіт, був беззвучним. Але чекайте-но. Космос, як і багато що в нашому житті, значно хаотичніший і складніший, ніж ми вважали ще кілька десятиліть тому.
Безперечно, якби ми спробували дихати в космосі, то дуже швидко померли б через нестачу кисню, але, правду кажучи, космос, навіть глибокий — не ідеальний вакуум. Такі поняття дуже відносні. Міжзоряний і міжгалактичний простір у мільйони разів ближчі до вакууму, ніж найкращий вакуум, який ми можемо створити на Землі. Але річ у тім, що матерія, присутня-таки в космосі, має важливі й ототожнені характеристики.
Більшість цієї матерії становить так звана плазма — іонізований газ, який частково або повністю складається із заряджених частинок, зокрема ядер водню (протонів) та електронів. Густина цього газу варіюється в широких межах. Плазма присутня в Сонячній системі; її джерелом є Сонце, тому її ще називають сонячним вітром (про це явище ми багато дізналися завдяки Бруно Россі). Крім того, різні види плазми трапляються в зорях, а також між зорями в галактиках (її називають міжзоряним середовищем) і навіть між галактиками (її називають міжгалактичним середовищем). На думку більшості астрофізиків, понад 99,9 відсотка всієї видимої матерії у Всесвіті — це плазма.
