[283]. Но это могла быть и случайность – побочный продукт дизайна двери. К сожалению, эффект почти полностью заглушается шумом транспорта.
Моя любимая шепчущая арка находится в монастыре Клонмакнойс в графстве Оффали в Ирландии. (Разве собирателя звуковых чудес может оставить равнодушным это название?) Роскошный готический дверной проем, датирующийся XV в., украшен резными изображениями святого Франциска, святого Патрика и святого Доминика; он ведет в лишенный крыши полуразрушенный собор. Подобно арке у ресторана Oyster на Центральном вокзале Нью-Йорка, это популярное место для предложения руки и сердца. Легенда гласит, что этот дверной проем использовался крайне необычным образом: прокаженные становились с одного края и шептали признания в грехах в желоб архитрава (рис. 5.8), священник стоял с другой стороны арки, достаточно далеко, чтобы уберечься от инфекции, и слушал исповеди, доносящиеся из архитрава. Я полдня наблюдал за прибытием автобусов с иностранцами, которые, несмотря на дождь и вой ветра, развлекались, что-то шепча в арку. Каков же принцип действия этих шепчущих арок? Такой же, как и у шепчущих галерей.
Шепчущая галерея собора Святого Павла в Лондоне – одно из моих первых юношеских воспоминаний, связанных с акустикой. Собор имеет форму креста, а купол расположен над пересечением «перекладин». Здание считается одной из главных достопримечательностей Лондона, и во время Второй мировой войны премьер-министр Уинстон Черчилль приказал любой ценой защитить его от налетов немецкой авиации, чтобы поднять боевой дух англичан.
Посетители преодолевают 259 ступеней, чтобы подняться от пола собора к основанию купола и ступить на узкую галерею шириной несколько метров вдоль круглых внутренних стен купола. На этом уровне диаметр купола составляет 33 метра. По внутреннему краю галереи установлено металлическое ограждение, чтобы люди не упали, засмотревшись на вершину купола или на мозаичный пол, когда любуются пышным убранством собора. Помню, как я сам развлекался, окликая друзей, стоявших на противоположной стороне. На галерее было многолюдно и шумно, но я слышал грубые шутки друзей, чей шепот доходил до меня издалека.
Шепчущие галереи восхищали многих знаменитых ученых, в том числе королевского астронома Джорджа Эйри, прославившегося работами по планетарной астрономии и оптике. В 1871 г. он опубликовал теорию, объясняющую, что происходит в шепчущих галереях, но применима она была только к помещениям в форме идеальной сферы, таким как «Маппариум». Лауреат Нобелевской премии по физике лорд Рэлей также интересовался этой проблемой, отмечая, что для собора Святого Павла «объяснение Эйри неверно». Для доказательства этого утверждения Рэлей построил масштабную модель шепчущей галереи из полукруглой полосы цинка длиной 3,6 метра[284]. С помощью манка он получал высокий звук, который распространялся вдоль внутренней поверхности металлической полосы; звук у другого конца был настолько силен, что заставлял дрожать пламя свечи. Но, если поперек внутренней поверхности цинковой полосы устанавливали барьер, пламя оставалось неподвижным. Такой результат свидетельствовал о том, что звуковые волны прижимаются к внутренней поверхности изогнутой полосы.
Тот факт, что звук прижимается к внутренней поверхности галереи и скользит по ней, – любопытное научное открытие, но само по себе оно не объясняет удивительный эффект шепчущей галереи. Посетители часто слышат странные звуки, о чем в 1922 г. писал Ч. В. Раман:
В ответ на обычный разговор от стен отражаются странные звуки и передразнивающий шепот. На громкий смех откликается десяток друзей, притаившихся за штукатуркой. Тихий шепот доносится со всех сторон, а разговаривать можно, находясь на противоположных концах купола, тихим голосом, просто обращаясь к стене, из которой также исходит голос собеседника[285].
Звук, прижимающийся к стене, создает акустическую иллюзию, поскольку он громче, чем ожидаемый. Кроме того, и тот, кто шепчет, и тот, кто слушает, должны стоять близко к стене. Если отодвинуться от стены, громкость звука резко уменьшается. Когда мозг пытается определить расстояние от источника, он ориентируется на громкость. Обычно шепот слышен в непосредственной близости от собеседника. Более того, при слабом движении головы громкость быстро уменьшается только тогда, когда источник звука находится близко. Мозг неверно интерпретирует быстрое затухание шепота, когда ухо удаляется от стены, и делает вывод, что источник находится в самой стене.
Раман получил Нобелевскую премию за исследование рассеивания света, однако он также много времени посвятил акустике. В начале XX в. он описал пять разных шепчущих галерей в Индии, в том числе громадный мавзолей XVII в. Гол-Гумбаз в Биджапуре. Снаружи Гол-Гумбаз – это внушительное здание, свидетельствующее о могуществе династии Адил-шаха, резко выделяющееся на фоне окружающей равнины. Оно похоже на гигантский куб с тонкими восьмиугольными башенками по углам и увенчано громадным куполом диаметром почти 38 метров, который приподнят над землей на 30 метров. Вот как описывает это место инженер-акустик Арьен ван дер Шот:
Внутреннее пространство довольно скромное, но вскоре забываешь об этом, пораженный акустикой, которая проявляет себя при малейшем звуке. Реверберация в Гол-Гумбазе производит такое сильное впечатление, что жители Индии добираются сюда не один день, чтобы только услышать ее. А когда прибывают на место, видят внутри сотню людей, кричащих во все горло[286].
Все это напоминает толпу у бассейна – дети радуются, крича и слушая, как многократно отражается их голос. Ван дер Шот выполнил акустические измерения, испытав редкое удовольствие от пребывания в пустом мавзолее. «Нам потребовалось два года, чтобы получить необходимые разрешения и на пару часов освободить это место. Толпу людей задержали у ворот, и мы могли в тишине работать в этой удивительной шепчущей галерее, где в ответ на шепот можно сосчитать до 10 отражений»[287].
Несмотря на радость, которую Гол-Гумбаз доставляет посетителям, шепчущая галерея в нем была случайностью. Решение установить купол над залом приняли уже после начала строительства. Я нашел только одно упоминание о специально сконструированной шепчущей галерее. В номере журнала Trough the Ages Magazine за 1924 г. сообщалось, что «шепчущая галерея в Капитолии штата Миссури [Джефферсон-Сити, 1917] была тщательно рассчитана знаменитым специалистом в области акустики, и это, вне всякого сомнения, первое свидетельство успеха подобного предприятия»[288].
На одной из конференций по акустике я представил несколько анимаций, показывающих, как звуковая волна распространяется по шепчущей галерее. При помощи новейших алгоритмов и мощного компьютера демонстрируется, что шепот скользит по галерее, прижимаясь к стенам. Готовясь к докладу, я зашел в библиотеку, чтобы взять экземпляр акустической библии XIX в., «Теории звука» (The Theory of Sound) лорда Рэлея, которую он написал в Египте, выздоравливая после ревматической лихорадки. Его описание того, что происходит в шепчущих галереях, было легко проиллюстрировать – гораздо легче, чем мои сложные компьютерные модели.
Представьте бильярдный шар на круглом столе, который движется почти параллельно бортику. Шар иллюстрирует, как звук перемещается по галерее, если прошептать несколько слов, приблизившись к стене. Теперь неожиданный эффект становится очевидным: шар прижимается к борту и движется вдоль него, не смещаясь к центру. То же самое происходит со звуком в шепчущей галерее (рис. 5.9).
Рис. 5.9. Звук в шепчущей галерее
Во время посещения станции прослушивания на холме Тойфельсберг я продемонстрировал эффект шепчущей галереи своему гиду Мартину. Он советовал туристам проверять акустику помещения, стоя в центре купола, но не знал, что голос может скользить вдоль стен. Потом, в те редкие минуты, когда в куполе больше никого не было, я провел измерения: прокалывал воздушный шарик у стены купола, записывая звук у противоположной стены. Такой громкий хлопок приводит к тому, что звук может несколько раз обежать окружность купола, прежде чем затихнет. Один раз я насчитал восемь отчетливых хлопков. На записи одного такого хлопка видны четыре или пять пиков, когда звуковая волна проходит мимо микрофона (рис. 5.10).
Рис. 5.10. Звук, созданный лопнувшим воздушным шариком в центре купола на холме Тойфельсберг
Но почему галерея в соборе Святого Павла называется «шепчущей», а не «говорящей»? Недавно я вернулся в собор и тайно сделал несколько записей. В галерею лучше всего приходить пораньше, когда народу не слишком много и шум не так силен. Кроме того, рекомендуется захватить с собой помощника, который будет шептать, но я пришел туда один. К счастью, смотритель шептал как раз так, как мне было нужно. Вернувшись в лабораторию, я проанализировал записи, которые выявили одну вескую причину, почему в соборе лучше шептать, чем говорить нормальным голосом: фоновый шум, поднимающийся снизу, в диапазоне обычной речи звучит довольно громко. Но на более высоких частотах, на которых шептал смотритель, фоновый шум гораздо тише, поэтому шипящие звуки не поглощаются посторонним гулом.
Большинство выдающихся звуковых чудес, которые мне удалось найти, были случайными, но какие звуки мы можем получить, если приложим усилия? Какие геометрические формы могут использовать физику, присутствующую в случайных звуковых чудесах, чтобы создать новые акустические эффекты? Примером для подражания может служить живший в XVII в. ученый иезуит Афанасий Кирхер. Он не только описывал свое знаменитое кошачье пианино, но и рисовал фантастические звуковые устройства наподобие говорящих статуй и музыкальной арки, которая автоматизирует сочинение музыки. Возможно, нынешние изобретатели предложат современные версии этих устройств.