Črtne kode v zraku

Zvočni valovi potujejo milijonkrat počasneje kot svetlobni (ali radijski) valovi, ne dosti hitreje kot boeing 747 in počasneje kot concorde. V nasprotju s svetlobo in drugimi elektromagnetnimi valovanji, ki se najbolje prenašajo po vakuumu, lahko zvočni valovi potujejo le po snovi, recimo po zraku ali vodi. To so valovi zgoščin in razredčin sredstva. V zraku so to valovi nekoliko povečanega in nato zmanjšanega krajevnega zračnega tlaka. Naša ušesa so majhni barometri, ki sledijo hitrim ritmičnim spremembam tlaka. Ušesa žuželk delujejo čisto drugače.
Zvočni valovi so valovi nihajočih sprememb krajevnega tlaka. Celoten tlak, recimo v zaprti sobi, je določen s številom molekul v sobi in s temperaturo, in ti dve količini se na hitro ne spreminjata. V povprečju ima vsak kubični centimeter zraka v sobi enako število molekul kot vsak drug kubični centimeter zraka, zato tudi enak tlak. To pa ne prepoveduje krajevnih sprememb tlaka. Kubični centimeter A lahko doživi kratkotrajno povečanje tlaka na račun kubičnega centimetra B, ki mu je začasno posodil nekaj molekul. Povečani tlak v A bo odrival molekule nazaj v B in s tem povrnil ravnovesje. V večjem geografskem merilu so vetrovi prav to – tokovi zraka iz območij visokega tlaka v območja z nizkim tlakom. V manjšem merilu lahko s tem pojasnimo zvok, le da ta ni veter, ker njegovi zračni tokovi zelo hitro nihajo naprej in nazaj.
Če sredi sobe udarimo ob glasbene vilice, njihovo nihanje zmoti bližnje molekule zraka in jih porine v sosednje molekule. Vilice nihajo z določeno frekvenco in ustvarjajo v zraku vedno nove zgoščine, ki se širijo v vse smeri kot vrsta zaporednih lupin. Vsaka valovna fronta je območje povečanega zračnega tlaka, njej pa sledi območje zmanjšanega tlaka. Temu sledi nova fronta v času, ki je določen s frekvenco vilic. Če v sobo postavite majcen, zelo hitro odzivajoč se barometer, bo njegova igla zanihala gor in dol ob prehodu vsake fronte. Pogostnost nihanja igle je frekvenca zvoka. Natanko tak hiter barometer je uho vretenčarjev. Bobnič se trese s spreminjajočim se tlakom zvoka, ki pada nanj. Bobnič je povezan (prek treh slavnih koščic kladivca, nakovalca in stremenca, ki smo jih med evolucijo prevzeli iz kosti plazilskega čeljustnega sklepa) z nekakšno majceno obrnjeno harfo, imenovano polž. Podobno kot pri harfi so strune v polžu napete na okviru, ki se proti enemu koncu zoži. Strune na ozkem koncu nihajo v soglasju z visokimi glasovi, tiste na širšem koncu pa z nizkimi. Živci ob polžu se urejeno prevezujejo v možgane, tako da ti lahko vedo, ali bobnič niha zaradi nizkega ali visokega zvoka.
Žuželčja ušesa pa niso mali barometri, ampak majhne vetrnice. V resnici merijo tok molekul kot od vetra, vendar zelo čudnega vetra, ki piha le zelo na kratko, potem pa se obrne v nasprotno smer. Razširjajoča se valovna fronta, ki jo mi zaznamo kot spremembo v tlaku, je tudi fronta gibanja molekul: gibanja v dano točko, ko se tlak povečuje, in gibanja proč od nje, ko tlak spet upada. Medtem ko je v naših barometrskih ušesih opna napeta prek zaprtega prostora, ima žuželčje vetrničasto uho bodisi vlakence bodisi opno napeto prek votline z luknjo. V enem in drugem primeru se prepreka ritmično giblje sem ter tja v skladu z gibanjem molekul.
Zaznavanje smeri zvoka je za žuželke torej povsem naravno. Vsakdo lahko z vetrnico loči severni veter od vzhodnika in tako tudi eno sámo žuželčje uho lahko loči med nihanjem v smeri sever-jug in nihanjem v smeri vzhod-zahod. Usmerjenost je pri žuželkah vgrajena že v zaznavanje zvoka. Barometri pa ne delujejo tako. Porast tlaka je samo porast tlaka, ne glede na to, iz katere smeri so prišle dodatne molekule. Vretenčarji moramo s svojimi barometrskimi ušesi zato šele izračunati smer zvoka iz primerjave sporočil, ki prihajata od obeh ušes, nekako tako, kot izračunamo barvo iz primerjave signalov različnih vrst čepkov. Možgani primerjajo glasnost v obeh ušesih in ločeno tudi čase prihoda (posebno pri ostrih, odsekanih staccatih) v obe ušesi. Nekatere vrste zvoka je laže primerjati kot druge. Čričkova pesem je prav zvito tako uglašena in odmerjena v času, da ušesa sesalcev težko določijo točko izvira, čričje samice s svojimi vetrničastimi ušesi pa brez težav. Nekateri čričkovi glasovi zmorejo – vsaj za moje vretenčarske možgane – ustvariti celo vtis, da (mirujoči) čriček poskakuje naokrog kot nekakšna ognjemetna žabica.
Zvočni valovi tvorijo spekter valovnih dolžin, ki ustreza mavrici. In tudi zvočno mavrico lahko razpletemo, zaradi česar si zvoke sploh lahko osmislimo. Tako kot so naša občutja barv samo oznake, ki jih možgani pripenjajo svetlobi različnih valovnih dolžin, so tudi tonske višine samo oznake za različne zvoke. Vendar je v zvoku še vse kaj drugega kot le višina tona, in prav tu se pokaže moč razpletanja.
Glasbene vilice ali steklena harmonika (instrument, ki je bil pri srcu Mozartu – vrsta tankih steklenih čaš, ki jih uglasimo s količino vode v njih, igramo pa nanje tako, da jih z omočenim prstom božamo po robu) oddajajo kristalno čist zvok. Fiziki mu pravijo sinusni val. To je najpreprostejša vrsta vala, nekakšen idealni val iz teorije. Gladke vijuge, ki tečejo po vrvi, če jo na enem koncu zibljemo gor in dol, so bolj ali manj sinusni valovi, četudi seveda z mnogo nižjo frekvenco kakor zvok. Večinoma pa zvoki niso preprosti sinusni valovi, temveč so bolj nazobčane in zapletene oblike, kot bomo še videli. Za trenutek si še predstavljajmo petje glasbenih vilic ali steklene harmonike z gladkimi nihajočimi valovi tlaka, ki se širijo od izvira v obliki razpenjajočih se krogelnih lupin. Barometrsko uho na njihovi poti zaznava najprej gladek porast tlaka, ki mu sledi gladek upad, in to nihanje se ritmično ponavlja brez sunkov ali zavojev v svojem poteku. Z vsako podvojitvijo frekvence (ali razpolovitvijo valovne dolžine, kar je isto) slišimo, da se ton poviša za eno oktavo. Ob zelo nizkih frekvencah, najglobljih notah na orglah, nam podrhteva celo telo in jih uho komajda sliši. Zelo visoke frekvence so za ljudi (zlasti za starejše) neslišne, slišijo pa jih netopirji, ki uporabljajo njihove odmeve, da si najdejo pot. To je ena od najvznemirljivejših zgodb v naravoslovju, toda posvetil sem ji že célo poglavje v Slepem urarju, zato se bom zdaj uprl skušnjavi.

© Modrijan založba, d. o. o., 2009

__________________________________

www.richarddawkins.net
en.wikipedia.org/wiki/Unweaving_the_Rainbow