Слепой часовщик

Возможно, что образ мира, в котором крейсирует летучая мышь, обновляется 10 раз в секунду. Наш с вами визуальный образ мира представляется нам беспрерывно, пока наши глаза открыты, обновляющимся. Мы можем видеть, как мог бы выглядеть дискретно обновляющийся образ мира, включив ночью стробоскоп. Их иногда используют на дискотеках, и он производит довольно впечатляющий эффект. Танцующий человек выглядит последовательностью замороженных статичных поз. Очевидно, что чем чаще следуют импульсы строба, тем ближе полученный образ соответствует нормальному "беспрерывному" зрению. Стробоскопическое видение с частотой крейсерского полёта летучей мыши (примерно 10 образов в секунду) – даёт почти столь же хорошую картину, как и нормальное "непрерывное" зрение – для обычных целей, но не для ловли шарика или насекомого.

Но это "дежурная" частота выборки образов летучей мышью на обычном крейсерском полёте. Когда маленькая коричневая летучая мышь обнаруживает насекомое, и ложится на курс его перехвата, то частота щелчков возрастает. Она щелкает при этом быстрее пулемёта, частота может достичь 200 Герц, пока она наконец не достигает свою движущуюся цель. Чтобы достичь того же эффекта, нам придётся ускорить наш стробоскоп настолько, чтобы его вспышки следовали с частотой, вдвое большей, чем полуциклы в нашей электрической сети, хотя даже эта частоту мы уже воспринимаем слитно, и не видим мерцания люминесцентных ламп. Обратите внимание, что у нас при этом нет никаких проблем с выполнением наших обычных визуальных задач в их свете – даже при игре в сквош или пинг-понг, хотя наш визуальный мир при этом пульсирует на такой высокой частоте (100 Герц). Если предположить, что мозг летучей мыши строит образ мира, аналогичный нашим визуальным образам при частоте нашей сети, то можно предположить, что образ мира в эхе летучей мыши по меньшей мере столь же детализирован, и "беспрерывен" как и наш с вами визуальный образ. Конечно, возможны и другие причины, приводящие к меньшей (чем у нас) детализации образа мира летучей мыши.

Если летучие мыши могут повышать частоту импульсов до 200 Герц, то почему они не поддерживают эту частоту всё время? Так как у них очевидно есть "регулятор частоты", своего "стробоскопа", то почему они не держат его постоянно на максимуме? Ведь тем самым всё время они поддерживают своё восприятие мира в его наиболее отчётливой форме, и готовы отреагировать на любую критическую ситуацию? Одна из причин этого может быть в том, что высокие частоты хороши лишь для близких целей. Если импульсы следуют слишком часто, то один излучаемый импульс может слиться с эхом его предшественника от далёкой цели. Даже если это не так, то вероятно имеются веские экономические причины для того, чтобы не поддерживать частоту импульсов на максимальном уровне всё время. Должно быть накладно производить громкие сверхзвуковые ипульсы – накладно в смысле и энергии, и износа голоса и слуха, и может быть – в компьютерном времени. Мозг, который обрабатывает 200 раздельных эхокартин в секунду, возможно уже не имеет запаса производительности для "размышлений" о чём-нибудь ещё. Частота выборки даже в 10 герц вероятно также весьма накладна, но намного меньше таковой на максимальной частоте 200 Герц. Конкретная летучая мышь, повысившая частоту своих тиков, заплатит дополнительную цену в энергии, и т.д., которая не будет оправдана увеличенной точностью сонара. Когда единственный движущийся объект в округе – сама летучая мышь, то образы видимого мира, отстоящие друг от друга на десятую долю секунды вполне подобны друг другу, и не нуждаются в более частой смене. Когда же в обозримой близости наличествует другой движущийся объект, особенно – летящее насекомое, бьющееся и мечущееся в отчаянной попытке избавиться от преследователя, то выгода от увеличения частоты импульсов более чем оправдывает возросшие издержки. Конечно, соображения насчёт издержек и выгод в этом параграфе – это предположение, но что-нибудь вроде этого почти наверняка должно иметь место.

Инженер, приступающий к разработке эффективного сонара или радара скоро сталкивается с проблемой, вытекающей из необходимости производить импульсы максимальной громкости. Они должны быть громкими, потому что волновой фронт излученного звука распространяется по расширяющейся сфере. Интенсивность звука распределяется, и в каком-то смысле, "растворяется" по всей поверхности сферы. Поверхность сферы пропорциональна квадрату радиуса. Поэтому интенсивность звука в любой заданной точке на поверхности сферы уменьшается не прямо пропорционально расстоянию (радиусу), а пропорционально квадрату расстояния от источника звука. Это означает, что в своём путешествии от источника (в нашем случае – летучей мыши) звук затихает довольно быстро.

Когда этот ослабленный звук достигает цели, скажем – мухи, он от неё отражается. Этот отражённый звук, в свою очередь, также излучается от мухи по расширяющемуся сферическому фронту. Как и в случае первичного импульса, он угасает пропрционально квадрату расстояния от мухи. К тому моменту, когда эхо вновь достигает летучей мыши, угасание его интенсивности оказывается пропорциональным не расстоянию от мухи до летучей мыши, и даже не квадрату этого расстояния, а квадрату квадрата – т.е. четвёртой степени расстояния. Это означает, что он будет очень, и очень тихим. Проблему возможно частично преодолеть, если летучая мышь будет излучать звук направленно, как из мегафона, но для этого ей нужно уже знать направление на цель. В любом случае, если летучей мыши нужно получить некое внятное эхо от всех отдалённых целей, то писк, исходящий от мыши, должен быть в самом деле очень громким; а инструмент обнаружения отражённого – ухо, должен быть очень чувствителен к слабому звуку эхо. И как мы уже знаем, летучая мышь часто и в самом деле кричит очень громко, а её уши и в самом деле очень чувствительны.

Теперь рассмотрим проблему, которая озадачила бы инженера, если б он попытался спроектировать некое подобие механической летучей мыши. Если микрофон (или ухо) будет столь чувствительным, как это требуется здесь, то он будет подвергаться большой опасности серьёзного повреждения собственным – чрезвычайно громким излученным импульсом звука. Нет смысла бороться с проблемой, снижая громкость излученного звука, ибо тогда эхо будет слишком тихим, чтобы его расслышать. И также нет смысла повышать чувствительность микрофона ("уха"), ак как это сделает его более уязвимым для повреждений, путь уже несколько более тихим излученным звуком! Эта дилемма неразрывно связана с радикально различной интенсивности излученного, и принятого звука, и различие это неумолимо следует из законов физики.

Какое другое решение мог бы предложить инженер? Когда перед аналогичной проблемой встали проектировщики радара во второй мировой войне, то они натолкнулись на решение, которое они назвали "приёмо-передающим" радаром. Локационные сигналы посылались обязательно в виде очень мощных импульсов, которые могли бы повредить высокочувствительный приёмник, ожидающий слабое отражённое эхо. Приёмо-передающий переключатель временно отсоединяет входные цепи приёмника от антенны непосредственно перед началом излучения исходящего импульса, а затем снова включает их к тому времени, когда нужно будет принимать эхо.

Летучие мыши развили "приёмо-передающее" переключение очень давно, вероятно за миллионы лет до того, как наши предки спустились с деревьев. Она работает так: в ухе, как и у летучей мыши, так у нас, звук передаётся от барабанной перепонки к "микрофонным", звукочувствительным клеткам посредством моста из трёх крошечных костей, названных (из-за внешнего сходства) молоточком, наковальней и стремечком. Между прочим, расположение и подвеска этих трёх костей очень точно решают задачу, которую квалифицированный инженер назвал бы задачей "согласования импедансов", но это уже другая история. Важно, что у некоторых летучих мышей хорошо развиты мускулы, воздействующие на стремя и молоточек. Когда эти мускулы напряжены, то эти косточки передают звук ослабленно – как если бы вы приглушили микрофон, прижимая палец к вибрирующей мембране. Летучая мышь может использовать эти мускулы, чтобы временно отключать свои уши. Сокращение этих мускулов непосредственно перед выдачей каждого исходящего импульса, тем самым выключает уши, чтобы они не были повреждены громким звуком. Затем они расслабляются, чтобы ухо возвратилось к своей максимальной чувствительности ко времени получения отражённого эха. Эта приёмо-передающая переключательная система работает только тогда, когда обеспечивается точность отслеживания времени в доли секунды. Летучая мышь, называемая Tadarida способна к поочерёдному напряжению и расслаблению переключающих мускулов 50 раз в секунду, соблюдая полную синхрониизацию с механизмом стрельбы ипульсами ультразвука. Это огромное достижение, сопоставимое с хитрым механизмом, использовавшимся в некоторых истребителях времён первой мировой войны. Их пулемёты, стреляющие "сквозь" пропеллер, тщательно выбирали момент выстрела, строго синхронизированный с его вращением, чтобы пули всегда пролетали между лопастями и никогда не отстреливали их.