Владимир Антонец - Простые вопросы. Книга, похожая на энциклопедию
При серьезных заболеваниях среднего или внутреннего уха сейчас используют электронные протезы, в которых звук преобразуется в электрический сигнал и поступает непосредственно к слуховому нерву.
Итак, сигнал поступил в мозг, и дальше идет его обработка. И тут оказывается, что слухов-то у нас несколько. Один тип обработки сигналов позволяет определять направление источника звука. Это называется пространственным слухом. Другой тип обработки позволяет определять высоту звука. Это называется тональным слухом. Совершенно иначе анализируются нетональные звуки — щелчки, удары и т. д. В зависимости от того, какая задача решается, мозг использует разный анализ и, следовательно, разный слух. Поэтому мы даже не можем говорить о наличии единого механизма слуха.
Наш слух имеет очень широкий диапазон. Звук падающей листвы — минимальный по мощности звук, который мы можем услышать. А рев реактивного самолета — максимальный, который слышен без боли. Разница по энергии между тем и другим — 10 млн раз. Чтобы ухо могло приспособиться к такой огромной разнице, специальные мышцы управляют натяжением барабанной перепонки и взаиморасположением слуховых косточек в среднем ухе — молоточка, наковаленки и стремечка. Экспериментаторы, которым приходится работать в заглушенных камерах, рассказывают, что в полной тишине они испытывают напряжение, а иногда головную боль. Это связано с тем, что предельно напрягаются мышцы, управляющие барабанной перепонкой и слуховыми косточками, в попытке обеспечить уху регистрацию слабого звука.
Между прочим, звук падающей листвы имеет всего в три раза большую энергию, чем звук, вызываемый хаотичным стуком молекул воздуха в барабанную перепонку. Природа и тут все «продумала». Она сберегла нас от того, чтобы слышать этот назойливый случайный шум.
По качеству слуха — чувствительности и диапазону частот воспринимаемых звуков — человек уступает многим живым существам. Но по умению извлекать информацию, заключенную в звуках, превзошел всех.
Как мы узнаём друг друга?
То, что люди могут узнавать друг друга, очень значимо для их существования. Без этого невозможны никакие формы общественной жизни, а человек — существо общественное. Да и для животного мира это не менее важно.
Процесс узнавания на самом деле очень сложен. И конечно, поражает, как много объектов, которые человек может узнать, вмещается в его памяти.
Как же это получается? Оказывается, что человек, наблюдая, например, изображение, не укладывает его полностью в долговременную память. Сначала ведется довольно подробный анализ. Начинается он с того, как человек осматривает какой-то объект, например лицо другого человека. Выполнено немало работ, зафиксировавших, как сложно при этом движется глаз, в каких местах сосредоточивается и т. д. Это происходит не просто так. Подобное движение управляется мозгом, раскладывающим увиденное на целый набор упрощенных изображений. Такое упрощение называется фильтрацией, или выделением характерных признаков. Например, оказывается, что у каждого изображения есть скелет и карта точек пересечения линий. Движение глаза управляется так, чтобы собранные признаки характеризовали изображение наиболее полно и достоверно. Выяснилось, что упаковать в памяти эти признаки гораздо легче, расходуется меньше ресурсов.
А дальше получается следующее. Всякий раз, когда человек сталкивается с каким-то новым объектом, он пытается сопоставить его с тем, что заложено в памяти предыдущим опытом. После того как через волокна зрительного нерва сигналы рецепторов глазной сетчатки — колбочек и палочек — поступают в мозг, они подвергаются очень сложной обработке, в которой участвует довольно много его структур. В частности, при этой обработке происходит выделение большого числа элементарных признаков изображения, по которым оно и сравнивается с тем, что есть в памяти. И если находится много совпадений, то мозг принимает решение, тот это объект или нет. Разглядывать, узнавать и запоминать объекты совсем нового, не встречавшегося ранее класса человеку не так легко. Например, известно, что без привычки трудно распознавать лица людей, принадлежащих к другим расам.
Иногда бывают ситуации, что человек не успевает как следует разглядеть новый объект, а «машина» узнавания уже запущена, и черты объекта достраиваются мозгом, восстанавливая целостный образ. Например, известен случай в наполеоновской армии, когда один солдат протянул другому рыбу, а тот клялся, что он замахнулся на него ножом. Просто не произошло такого опознавания.
У опознаваемого человека может быть много признаков: он как-то характерно стоит или движется, как-то выглядит, у него может быть характерный голос, даже характерное построение речи. И поэтому иногда человека можно узнать, даже если изменились какие-то признаки, по другим, которые подверглись меньшим изменениям.
Это второе удивительное свойство, что человека можно опознать даже по части его признаков, восстановив в памяти все остальные. (Когда мы с братом встречали мать на автобусной остановке, мне всегда было интересно, одинаковой ли мы ее видим.)
Изучение механизмов распознавания — колоссальная работа, которая выполнялась в основном в течение XX века. Трудно выделить кого-то одного, сделавшего в этом прорыв. Но поражает, как много изучено. И то, что эти представления о работе мозга достаточно справедливы, подтверждается тем, что многие из способов анализа, скажем, изображений и звуков могут быть воспроизведены с помощью компьютеров. Например, буквально несколько месяцев назад компания Google продемонстрировала многопроцессорную систему, отчасти воспроизводящую структуру мозга, которая распознает изображения быстрее и надежнее человека. Сейчас вы можете купить робота (скажем, в Японии), который умеет узнавать хозяина, предметы, обстановку и выполнять довольно сложные целесообразные действия.
Таким образом, нам удается узнавать друг друга, потому что в мозгу очень экономно хранятся признаки предметов, достаточные для того, чтобы восстановить представления о предмете в целом. Это самый главный механизм, по которому мы узнаем друг друга.
И это позволяет сказать близкому другу, которого мы не видели двадцать лет: «Слушай! Где тут у тебя соль?»
Как образуется эхо?
Эхо описано еще в древнейших мифах. А в мифах остается только самое-самое значимое, что поражает людей.
Происхождение эха первым объяснил Аристотель в IV веке до н. э. Он догадался, что звук — это распространяющаяся волна попеременного сжатия и разрежения воздуха, которая может отражаться от препятствий и таким образом возвращаться к нам звуком. С тех пор, однако, трудами многочисленных ученых созданы весьма точные теории, которые позволяют рассчитывать распространение и отражение волн в самых разных средах и условиях.
Кроме того, было обнаружено, что звуковые волны могут распространяться и в жидкостях, и в твердых телах, а еще существуют волны совсем другой физической природы, например электромагнитные.
Электромагнитные волны также могут отражаться от препятствий. Значит, и для них существует феномен эха. На нем построена работа радаров. Измерение промежутка времени между посланным электромагнитным импульсом и пришедшим на приемник отраженным сигналом позволяет определить расстояние до объекта, отразившего волну.
Заметим, что, хотя радар и человеческое изобретение, природа использовала этот принцип гораздо раньше. Похожим образом ориентируются в пространстве летучие мыши, дельфины и некоторые виды тюленей, посылающие ультразвуковые сигналы.
Теория волн показывает, что многообразие способов приема и обработки волновых сигналов гораздо более велико, чем используется человеческим слухом. Так, например, посылая внутрь человеческого тела ультразвуковые волны вдоль разных направлений, мы можем составить карту всех органов. Существуют и методы измерения скорости движения и вибрации внутренних объектов.
Еще 50 лет назад это было чудом, а сейчас стало распространенным методом диагностического обследования, называемым УЗИ. Меня, например, поразило, что посредством ультразвука можно увидеть лицо еще не родившегося младенца. Так было обнаружено, что младенец, оказывается, гримасничает, сердится, улыбается.
Интересно, что с физической точки зрения обнаружение эха, создаваемого отражением импульса, отличается от обнаружения эха непрерывного шумового сигнала только способом обработки информации. На этом принципе, кстати, россиянам в 90-х годах прошлого века удалось построить оптический прибор для исследования тонких слоев биологических тканей и других материалов. Он словно бы регистрирует эхо светового импульса длиной всего одну миллионную часть от одной миллиардной доли секунды. Сейчас подобные приборы — оптические томографы — достаточно широко распространены в мире.
