Слепой часовщик

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 абзаце — 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.