Мозг настолько чутко настраивается на обертоновый звукоряд, что, если мы услышим звук, в котором есть все компоненты, кроме основного тона, мозг сам достроит его. Этот феномен так и называется: достройка основного тона. Звук, состоящий из колебаний с частотами 100 Гц, 200 Гц, 300 Гц, 400 Гц и 500 Гц, воспринимается как звук с частотой 100 Гц, то есть как его основной тон. Но если мы искусственно создадим звук с частотами 200 Гц, 300 Гц, 400 Гц и 500 Гц (исключив основной тон), мы все равно воспримем его на слух как звук с частотой 100 Гц. Мы не можем принять его за звук с частотой 200 Гц, потому что наш мозг знает, что в натуральном звукоряде с основным тоном в 200 Гц должны быть обертоны с частотой 400 Гц, 600 Гц, 800 Гц и т. д. Мы можем обмануть мозг, воспроизведя звукоряд, в котором обертоны немного отклоняются от натурального звукоряда, например: 100 Гц, 210 Гц, 302 Гц, 405 Гц и т. д. В подобных случаях тон, который мы услышим, сместится от 100 Гц к среднему значению между тем, что мы на самом деле услышали, и натуральным звукорядом.
Когда я учился в аспирантуре, мой научный руководитель Майк Познер рассказал мне о работе аспиранта-биолога Петра Джанаты. Несмотря на то что Петр вырос не в Сан-Франциско, как я, у него были длинные густые волосы, которые он собирал в хвост, а еще он играл джаз и пиано-рок и носил варенку — словом, я нашел в нем настоящую родственную душу. Петр проводил эксперименты на совах-сипухах. Он помещал им электроды в нижнее двухолмие — часть слуховой системы, затем включал совам вальс Иоганна Штрауса «На прекрасном голубом Дунае», составленный из звуков, откуда был удален основной тон. Петр предположил, что если основной тон достраивается на ранних этапах слуховой обработки, то нейроны в нижнем двухолмии совы должны возбуждаться с частотой недостающего основного тона. И именно так и произошло. А поскольку электроды при каждом разряде нейронов подавали небольшой электрический импульс, Петр направил этот сигнал в небольшой усилитель и воспроизвел его в виде звука через динамик. То, что он услышал, было поразительно. Мелодия вальса «На прекрасном голубом Дунае» отчетливо звучала из колонки: ба-да-да-да-да ди-ди ди-ди. Мы услышали частоту разрядов нейронов, и она совпала с частотой недостающего основного тона. Мы узнали не только то, что обертоновый ряд воспринимается на ранних этапах обработки слуховой информации, но и то, что понятие о нем есть не только у человека, но и у совершенно других видов.
Можно представить себе инопланетян, у которых нет ушей или такого же слухового опыта, как у нас. Однако было бы трудно представить высокоразвитый вид, вообще не способный воспринимать колебания объектов. Везде, где есть атмосфера, есть и молекулы, которые колеблются в ответ на движение. И знание о том, производит ли шум тот или иной объект и движется ли он к нам или от нас, даже когда мы его не видим (например, потому что темно, или он незаметен для нашего зрения, или мы спим), очень ценно для выживания.
Поскольку большинство физических объектов заставляют молекулы колебаться одновременно в разных направлениях и поскольку у многих объектов числовые значения этих колебаний кратны друг другу, мы ожидаем услышать и ощутить обертоновый ряд везде: в Северной Америке, на Фиджи, на Марсе и на планетах, вращающихся вокруг Антареса. Любой организм, эволюционировавший в мире колеблющихся объектов, скорее всего — при условии, что он эволюционировал достаточно долго, — развил у себя в мозгу систему, которая обрабатывает эти закономерности. Поскольку высота звука — фундаментальное свойство идентичности объекта, мы ожидаем найти в мозгу рассматриваемого существа тонотопические карты, как в слуховой коре человека, а также увидеть синхронные разряды нейронов на ноты, находящиеся на интервале в октаву друг от друга и в иных гармонических отношениях. Именно так мозг (инопланетного или земного существа) понимает, что все звуки производит один и тот же объект.
Обертоны часто обозначаются цифрами: первый обертон — это первая частота вибрации выше основной, второй обертон — вторая частота вибрации выше основной и т. д. Поскольку физики любят описывать все слишком сложно, чтобы остальные ничего не поняли, существует и параллельная терминологическая система, где эти явления называются гармониками, и, как мне кажется, ее придумали специально для того, чтобы свести с ума студентов. Согласно этой терминологии, первая гармоника — основная частота звука, вторая соответствует первому обертону и т. д. Не все инструменты создают колебания на четко определенных частотах. Иногда, как, например, у фортепиано (поскольку оно своего рода ударный инструмент), обертоны могут быть почти кратны основной частоте, но не совсем точно, и как раз благодаря этому инструмент имеет такое характерное звучание. Ударные инструменты, колокольчики и другие подобные предметы — в зависимости от своего устройства и формы — нередко создают обертоны, частота которых не кратна основной частоте, и их называют негармоническими обертонами. Как правило, звучанию инструментов с негармоническими обертонами не хватает ясного ощущения высоты тона, которое мы ассоциируем с гармоническими инструментами, и нейрональная основа этого, вероятно, связана с отсутствием синхронного возбуждения нейронов. Однако высоту звука мы все равно воспринимаем и наиболее ясно слышим ее, когда исполняем на инструменте несколько негармонических нот подряд. Напевать под звук одной ноты, сыгранной на деревянной колоде или колокольчике, вероятно, не получится, а вот целую узнаваемую мелодию на них мы можем исполнить, потому что мозг фокусируется на переходе от одного набора обертонов к другому. Примерно то же происходит, когда мы слышим, как кто-то выстукивает мелодию пальцем по надутым щекам.
Флейта, скрипка, труба и фортепиано способны сыграть одну и ту же ноту — можно обозначить ее в нотной записи, и все инструменты сыграют ее с одинаковой основной частотой, а мы (скорее всего) услышим звук одной высоты. Но все эти инструменты звучат очень по-разному.
Их различие заключается в тембре — наиболее важном и значимом для выживания свойстве звуков. Тембр — это основная характеристика, отличающая рычание льва от мурлыкания кошки, раскаты грома от грохота океанских волн, голос нашего друга от голоса налогового инспектора, встречи с которым нам хотелось бы избежать. У людей настолько развита способность к различению тембров, что большинство из нас может распознавать сотни голосов. Основываясь на тембре голоса, мы даже определяем, счастлив или печален кто-то из наших близких, здоров он или простужен.
Тембр порождают обертоны. У разных материалов различная плотность. Если взять кусок металла и кусок древесины одинакового размера и поместить в пруд, то металл утонет, а дерево останется на плаву. Отчасти из-за плотности, а отчасти из-за размера и формы разные предметы издают разные звуки, если стукнуть по ним рукой. Представьте себе звук, который вы услышите, если постучите молотком (только аккуратно, пожалуйста!) по гитаре, — такой глухой, деревянный стук. А если постучите по чему-нибудь металлическому, например по саксофону, получится жестяной звон. Когда вы бьете по этим объектам, энергия, передающаяся от молотка, заставляет молекулы внутри них колебаться, танцевать на нескольких различных частотах, которые определяются материалом, размером и формой объекта. Если объект колеблется, скажем, на частоте 100 Гц, 200 Гц, 300 Гц, 400 Гц и т. д., интенсивность колебаний для каждой из этих гармоник не обязательно будет одна и та же, как правило, она разная.
Когда вы слышите, как саксофон играет звук с основной частотой в 220 Гц, на самом деле вы слышите больше одного тона. Другие тоны, которые вы слышите, кратны основной частоте: 440, 660, 880, 1100, 1320, 1540 и т. д. У этих разных тонов — обертонов — разная интенсивность, вот почему мы слышим их как звуки разной громкости. Особенно интересные громкости у обертонов саксофона, и именно они порождают его неповторимый тональный окрас, его неповторимое звучание — его тембр. Если сыграть ту же самую ноту (220 Гц) на скрипке, ее обертоны расположатся на тех же частотах, но громкость каждого из них будет отличаться от громкости других. У каждого инструмента уникальная система обертонов (например, у одного второй обертон громче, чем у другого, а пятый — тише). Практически все тональные вариации, слышимые нами, — то самое свойство, которое делает звук трубы трубным, а звук фортепиано фортепианным, — основаны на уникальном распределении громкости обертонов.
У каждого инструмента своя неповторимая система обертонов, подобная отпечатку пальца. Это сложная система, благодаря которой мы можем идентифицировать инструмент. Кларнеты, например, характеризуются относительно большим количеством энергии в нечетных гармониках — в три, пять, семь раз кратных основной частоте и т. д. (это следствие того, что кларнет закрыт с одного конца и открыт с другого). Трубы отличает относительно равномерное количество энергии как в нечетной, так и в четной гармониках (как и кларнет, труба закрыта с одного конца и открыта с другого, а мундштук и колокол сглаживают натуральный звукоряд). Скрипка, вогнутая посередине, будет давать в основном нечетные гармоники и, следовательно, звучать подобно кларнету. А если она вогнута на одной трети длины, то это подчеркивает третью гармонику и кратные ей: шестую, девятую, двенадцатую и т. д.
У трубы свой неповторимый тембральный отпечаток, который легко отличить от тембрального отпечатка скрипки, фортепиано и даже человеческого голоса. Большинство музыкантов различают и тембры разных труб — они звучат не одинаково, как и разные фортепиано и разные аккордеоны. Отличает одно фортепиано от другого различие тембральных профилей, но, конечно, оно не столь разительно, как различия между профилями фортепиано, клавесина, органа и трубы. Мастера-музыканты могут услышать разницу между скрипками Страдивари и Гварнери за одну-две ноты. Я очень отчетливо слышу разницу между своей акустической гитарой Martin 000-18 1956 года, Martin D-18 1973 года и Collings D2H 1996 года. Они звучат как разные инструменты, хотя все являются акустическими гитарами. Я бы никогда их не перепутал. Вот что такое тембр.