Нет никаких сомнений в том, что мы чувствуем изменения вертикального ускорения, и из следующего станет крайне вероятным, что отолиты преддверия являются органом чувств для направления массового ускорения. Тогда будет несовместимо с действительно логическим взглядом считать последний неспособным чувствовать горизонтальные ускорения.
У низших животных аналог лабиринта сжат до маленького пузырька, наполненного жидкостью и содержащего крошечные кристаллы, слуховые камни, или отолиты, большей удельной массы, подвешенные на мельчайших волосках. Эти кристаллы кажутся физически хорошо приспособленными для указания как направления силы тяжести, так и направления начальных движений. В том, что они выполняют первую функцию, Делаж первым убедился с помощью экспериментов на низших животных, которые при удалении отолитов полностью теряли ориентацию и больше не могли восстановить свое нормальное положение. Леб также обнаружил, что рыбы без лабиринтов плавают то на брюхе, то на спине. Но самым замечательным, самым красивым и самым убедительным является эксперимент, который д-р Крайдль провел с ракообразными. Согласно Хензену, некоторые ракообразные при линьке спонтанно вводят мелкие песчинки в качестве слуховых камней в свой отолитовый пузырек. По остроумному предложению З. Экснера д-р Крайдль заставил некоторых из этих животных довольствоваться железными опилками (ferrum limatum). Если поднести полюс электромагнита к животному, оно немедленно повернется спиной от полюса, сопровождая движение соответствующими рефлекторными движениями глаз в момент замыкания тока, точно так же, как если бы на животное подействовала сила тяжести в том же направлении, что и магнитная сила. Это, собственно, и следовало ожидать от функции, приписываемой отолитам. Если глаза покрыть асфальтовым лаком, а слуховые мешочки удалить, ракообразные полностью теряют чувство направления, кувыркаются, лежат на боку или на спине безразлично. Этого не происходит, когда закрыты только глаза. Для позвоночных Брейер в ходе тщательных исследований доказал, что отолиты, или, лучше сказать, статолиты, скользят в трех плоскостях, параллельных плоскостям полукружных каналов, и, следовательно, идеально приспособлены для указания изменений как величины, так и направления массового ускорения.
Я уже отмечал, что не всякая функция ориентации может быть приписана исключительно лабиринту. Глухонемые, которых приходится погружать в воду, и ракообразные, у которых должны быть закрыты глаза, если они должны быть полностью дезориентированы, являются доказательством этого факта. Я видел слепую кошку в лаборатории Геринга, которая для того, кто не был очень внимательным наблюдателем, вела себя точно так же, как зрячая кошка. Она ловко играла с предметами, катящимися по полу, любопытно совала голову в открытые ящики, ловко прыгала на стулья, с идеальной точностью пробегала через открытые двери и никогда не натыкалась на закрытые. Зрительное чувство здесь было быстро заменено осязательным и слуховым. И из исследований Эвальда следует, что даже после удаления лабиринтов животные постепенно снова учатся передвигаться вполне нормальным образом, по-видимому, потому, что исключенная функция лабиринта теперь выполняется какой-то частью мозга. Заметна лишь некоторая своеобразная слабость мышц, которую Эвальд приписывает отсутствию раздражителя, который в противном случае постоянно испускается лабиринтом (лабиринтный тонус). Но если удалить часть мозга, выполняющую эту делегированную функцию, животные снова оказываются полностью дезориентированными и абсолютно беспомощными.
Можно сказать, что взгляды, высказанные Брейером, Крам Брауном и мной в 1873 и 1874 годах и являющиеся, по сути, более полным и богатым развитием идеи Гольца, в целом были подтверждены. По крайней мере, они оказали полезное и стимулирующее влияние. В ходе исследования, конечно, возникли новые проблемы, которые еще ждут своего решения, и предстоит проделать большую работу. В то же время мы видим, насколько плодотворным может стать возобновленное сотрудничество различных специальных областей науки после периода изоляции и бодрящей работы врозь.
Поэтому позвольте мне рассмотреть связь между слухом и ориентацией с другой и более общей точки зрения. То, что мы называем слуховым органом, у низших животных — это просто мешочек, содержащий слуховые камни. По мере нашего продвижения по шкале из них постепенно развиваются 1, 2, 3 полукружных канала, в то время как структура самого отолитового органа становится более сложной. Наконец, у высших позвоночных, и особенно у млекопитающих, часть последнего органа (lagena) становится улиткой, которую Гельмгольц объяснил как орган для ощущений тона. Полагая, что весь лабиринт является слуховым органом, Гельмгольц, вопреки результатам своего собственного мастерского анализа, первоначально пытался интерпретировать другую часть лабиринта как орган шумов. Я давно показал (1873), что любой тональный раздражитель при сокращении длительности возбуждения до нескольких колебаний постепенно теряет свой характер высоты и приобретает характер резкого, сухого звука или шума. Все промежуточные стадии между тонами и шумами могут быть продемонстрированы. В таком случае вряд ли можно предположить, что один орган внезапно и в какой-то определенной точке заменяется по функции другим. На основании различных экспериментов и рассуждений З. Экснер также считает предположение о специальном органе для восприятия шумов излишним.
Если мы только поразмыслим, какая малая часть лабиринта высших животных по-видимому находится на службе чувства слуха, и насколько велика, с другой стороны, та часть, которая, весьма вероятно, служит целям ориентации, насколько первые анатомические зачатки слухового мешочка низших животных напоминают ту часть полностью развитого лабиринта, которая не слышит, то неотвратимо напрашивается взгляд, который Брейер и я (1874, 1875) выразили, что слуховой орган развился из органа для восприятия движений путем адаптации к слабым периодическим двигательным раздражителям, и что многие аппараты у низших животных, которые считаются органами слуха, вовсе не являются слуховыми органами.
Этот взгляд, по-видимому, заметно завоевывает признание. Д-р Крайдль с помощью искусно спланированных экспериментов пришел к выводу, что даже рыбы не слышат, тогда как Э. Г. Вебер в свое время рассматривал косточки, соединяющие плавательный пузырь рыб с лабиринтом, как органы, специально предназначенные для проведения звука от первого ко второму. Сёренсен исследовал возбуждение звуков плавательным пузырем рыб, а также проведение толчков через косточки Вебера. Он считает плавательный пузырь особенно приспособленным для приема шумов, издаваемых другими рыбами, и проведения их к лабиринту. Он слышал громкие хрюкающие тона рыб в реках Южной Америки и придерживается мнения, что они таким образом привлекают и находят друг друга. Согласно этим взглядам, некоторые рыбы не являются ни глухими, ни немыми. Рассматриваемый здесь вопрос мог бы быть решен, возможно, путем четкого различения между ощущением слуха как такового и восприятием толчков. Первое из упомянутых ощущений может, даже в случае многих позвоночных, быть чрезвычайно ограниченным или, возможно, даже абсолютно отсутствующим. Но помимо слуховой функции косточки Вебера могут вполне успешно выполнять какую-то другую функцию. Хотя, как показал Моро, сам плавательный пузырь не является органом равновесия в простом физическом смысле Борелли, тем не менее, несомненно, некоторая функция такого характера все еще зарезервирована для него. Соединение с лабиринтом благоприятствует этой концепции, и так перед нами встает множество новых проблем.
Я хотел бы закончить воспоминанием 1863 года. Только что вышли «Ощущения тона» Гельмгольца, и функция улитки теперь казалась ясной всему миру. В частном разговоре, который у меня был с врачом, последний объявил почти безнадежным предприятием попытку постичь функцию других частей лабиринта, тогда как я в юношеской смелости утверждал, что вопрос вряд ли не будет решен, и притом очень скоро, хотя, конечно, у меня тогда не было ни малейшего представления о том, как это будет сделано. Десять лет спустя вопрос был по существу решен.
Сегодня, часто и тщетно испытав свои силы на многих вопросах, я больше не верю, что мы можем быстро покончить с проблемами науки. Тем не менее, я не считал бы «ignorabimus» выражением скромности, а скорее наоборот. Это выражение подходит только для проблем, которые неправильно сформулированы и которые, следовательно, вовсе не являются проблемами. Каждая реальная проблема может и будет решена в свое время без сверхъестественного прорицания, исключительно путем точного наблюдения и пристального, глубокого мышления.
О НЕКОТОРЫХ ЯВЛЕНИЯХ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ ПОЛЕТ СНАРЯДОВ.
«Я водил своих оборванцев туда, где их перчили». — Фальстаф.
«Он идет лишь посмотреть на шум, который услышал». — Сон в летнюю ночь.
Стрелять в кратчайшее время как можно больше дыр в телах друг друга, и не всегда ради вполне простительных целей и идеалов, по-видимому, возросло до достоинства долга у современных людей, которые, по странной непоследовательности и в подчинении диаметрально противоположному идеалу, связаны столь же священным обязательством делать эти дыры как можно меньше, а когда они сделаны, затыкать их и залечивать как можно скорее. Поскольку, таким образом, стрельба и все, что к ней относится, является очень важным, если не самым важным делом современной жизни, вы, несомненно, не будете против того, чтобы уделить час своего внимания некоторым экспериментам, которые были предприняты не для продвижения целей войны, а для содействия целям науки, и которые проливают некоторый свет на явления, сопровождающие полет снарядов.
Современная наука стремится построить свою картину мира не из спекуляций, а, насколько это возможно, из фактов. Она проверяет свои конструкции путем обращения к наблюдению. Каждый вновь наблюдаемый факт дополняет ее картину мира, а каждое расхождение конструкции с наблюдением указывает на некоторое несовершенство, на некоторый пробел в ней. То, что увидено, подвергается проверке и дополняется тем, что продумано, что, в свою очередь, является не чем иным, как результатом ранее увиденного. Поэтому всегда особенно увлекательно подвергать прямой проверке наблюдением, то есть делать ощутимым для чувств то, что мы только теоретически выдумали или теоретически предположили.
В 1881 году, услышав в Париже лекцию бельгийского артиллериста Мельсенса, который высказал предположение, что снаряды, летящие с большой скоростью, несут перед собой массы сжатого воздуха, которые способствуют возникновению в телах, пораженных снарядами, некоторых хорошо известных фактов природы взрывов, у меня возникло желание экспериментально проверить его предположение и сделать явление, если оно действительно существовало, воспринимаемым. Желание было тем сильнее, что я мог сказать, что все средства для его реализации существовали и что я частично уже использовал и испытал их для других целей.
И прежде всего давайте проясним трудности, которые необходимо преодолеть. Наша задача состоит в том, чтобы наблюдать пулю или другой снаряд, который несется через пространство со скоростью многих сотен ярдов в секунду, вместе с возмущениями, которые пуля вызывает в окружающей атмосфере. Даже само непрозрачное твердое тело, снаряд, лишь в исключительных случаях видно при таких обстоятельствах — только когда оно значительного размера и когда мы видим его траекторию в сильном перспективном сокращении, так что скорость кажется уменьшенной. Мы видим большой снаряд довольно ясно, когда стоим позади пушки и смотрим вдоль линии его полета или, в менее приятном случае, когда снаряд летит навстречу нам. Существует, однако, очень простой и эффективный метод наблюдения быстро движущихся тел с такими же небольшими трудностями, как если бы они были неподвижны в какой-то точке своего пути. Этот метод заключается в освещении яркой электрической искрой чрезвычайно короткой длительности в темной комнате. Но поскольку для полного интеллектуального понимания картины, представленной глазу, необходим определенный, не такой уж малый промежуток времени, метод мгновенной фотографии, естественно, также будет использован. Снимки, которые имеют чрезвычайно малую длительность, таким образом, записываются постоянно и могут быть изучены и проанализированы в удобное время и на досуге.
С только что упомянутой трудностью связана еще одна, большая трудность, которая обусловлена воздухом. Атмосфера в своем обычном состоянии, как правило, не видна, даже когда она находится в покое. Но задача, поставленная перед нами, состоит в том, чтобы сделать видимыми массы воздуха, которые, к тому же, движутся с большой скоростью.
Чтобы быть видимым, тело должно либо само излучать свет, светиться, либо каким-то образом воздействовать на свет, который падает на него, должно полностью или частично поглощать этот свет, либо должно оказывать отклоняющее действие на него, то есть отражать или преломлять его. Мы не можем видеть воздух, как мы можем видеть пламя, ибо он светится только в исключительных случаях, как в трубке Гейсслера. Атмосфера чрезвычайно прозрачна и бесцветна; поэтому ее нельзя увидеть, как можно увидеть темное или цветное тело, или как можно увидеть хлорный газ, или пары брома или йода. Воздух, наконец, имеет настолько малый показатель преломления и настолько малое отклоняющее влияние на свет, что эффект преломления обычно вообще незаметен.
Стеклянная палочка видна в воздухе или в воде, но она почти невидима в смеси бензола и сероуглерода, которая имеет тот же средний показатель преломления, что и стекло. Порошкообразное стекло в той же смеси имеет яркую окраску, потому что из-за разложения цветов показатели одинаковы только для одного цвета, который проходит через смесь беспрепятственно, в то время как другие цвета подвергаются многократным отражениям.
Вода невидима в воде, спирт в спирте. Но если спирт смешать с водой, то сразу будут видны хлопьевидные полосы спирта в воде и наоборот. И точно так же воздух, при благоприятных обстоятельствах, тоже может быть виден. Над крышей, нагретой палящим солнцем, заметно дрожащее колебание предметов, как и над раскаленными печами, радиаторами и решетками. Во всех этих случаях крошечные хлопьевидные массы горячего и холодного воздуха с немного различающейся преломляющей способностью перемешиваются друг с другом.
Точно так же более сильно преломляющие части неоднородных масс стекла, так называемые свили или дефекты стекла, легко обнаружимы среди менее преломляющих частей, которые составляют основную массу того же самого. Такие стекла непригодны для оптических целей, и особое внимание было уделено исследованию методов устранения или предотвращения этих дефектов. Результатом стала разработка чрезвычайно тонкого метода обнаружения оптических ошибок — так называемого метода Фуко и Тёплера, — который подходит и для нашей нынешней цели.
Fig. 49.
Даже Гюйгенс, пытаясь обнаружить наличие свилей в полированных стеклах, рассматривал их при косом освещении, обычно на значительном расстоянии, чтобы дать полный простор аберрациям, и прибегал для большей точности к телескопу. Но метод был доведен до высшей степени совершенства в 1867 году Тёплером, который использовал следующую процедуру: небольшой светящийся источник a (рис. 49) освещает линзу L, которая дает изображение b светящегося источника. Если глаз поместить так, чтобы изображение попало на зрачок, вся линза, если она идеальна, будет казаться одинаково освещенной по той причине, что все ее точки посылают лучи в глаз. Грубые несовершенства формы или однородности становятся видимыми только в том случае, если аберрации настолько велики, что свет из многих точек проходит мимо зрачка глаза. Но если изображение b частично перекрыто краем небольшой заслонки, то те точки в линзе, которые таким образом частично затемнены, будут казаться ярче, чей свет благодаря своим большим аберрациям все еще достигает глаза, несмотря на перекрывающую заслонку, в то время как те точки будут казаться темнее, которые вследствие аберрации в другом направлении направляют свой свет полностью на заслонку. Эта хитрость с перекрывающей заслонкой, которая ранее использовалась Фуко для исследования оптических несовершенств зеркал, чрезвычайно повышает тонкость метода, которая еще больше увеличивается использованием Тёплером телескопа позади заслонки. Метод Тёплера, соответственно, обладает всеми преимуществами процедур Гюйгенса и Фуко вместе взятых. Он настолько тонок, что мельчайшие неровности в воздухе, окружающем линзу, могут быть сделаны отчетливо видимыми, как я покажу на примере. Я помещаю свечу перед линзой L (рис. 50) и так располагаю вторую линзу M, чтобы пламя свечи отображалось на экране S. Как только перекрывающая заслонка вдвигается в фокус b света, исходящего из a, вы видите изображения изменений плотности и изображения движений, вызванных в воздухе пламенем, совершенно отчетливо на экране. Отчетливость явления в целом зависит от положения перекрывающей заслонки b. Удаление b увеличивает освещенность, но уменьшает отчетливость. Если светящийся источник a убрать, мы видим изображение пламени свечи только на экране S. Если мы уберем пламя и позволим a продолжать светить, экран S будет казаться равномерно освещенным.
Fig. 50.
После того как Тёплер долго и тщетно пытался сделать неровности, создаваемые в воздухе звуковыми волнами, видимыми с помощью этого принципа, он был наконец приведен к своей цели благоприятными обстоятельствами, сопровождающими создание электрических искр. Волны, генерируемые в воздухе электрическими искрами и сопровождающие взрывное щелканье оных, имеют достаточно короткий период и достаточно мощны, чтобы быть сделанными видимыми этими методами. Таким образом, мы видим, как при внимательном отношении к самым малым и самым призрачным признакам явления и при небольших прогрессивных и соответствующих изменениях обстоятельств и методов, в конечном итоге могут быть достигнуты самые поразительные результаты. Рассмотрим, например, два таких явления, как трение янтаря и электрическое освещение современных улиц. Человек, не знающий о мириадах мелких звеньев, которые соединяют эти две вещи вместе, будет абсолютно сбит с толку их связью и поймет ее не больше, чем обычный наблюдатель, не знакомый с эмбриологией, анатомией и палеонтологией, поймет связь между ящером и птицей. Высокая ценность и значимость сотрудничества исследователей на протяжении веков, где каждый должен лишь подхватить нить работы своих предшественников и прясть ее дальше, становится убедительно очевидной на таких примерах. И такое знание разрушает также самым ясным образом, какой только можно вообразить, то впечатление чудесного, которое зритель может получить от науки, и в то же время является самым спасительным предостережением для работника в науке против высокомерия. Я должен также добавить отрезвляющее замечание, что все наше искусство было бы тщетным, если бы сама природа не предоставляла хотя бы некоторые слабые направляющие нити, ведущие от скрытого явления в область наблюдаемого. И поэтому нас не должно удивлять, что однажды при особо благоприятных обстоятельствах чрезвычайно мощная звуковая волна, вызванная взрывом нескольких сотен фунтов динамита, отбросила прямо видимую тень при солнечном свете, как недавно рассказал нам Бойс. Если бы звуковые волны были абсолютно без влияния на свет, этого не могло бы произойти, и все наши ухищрения были бы тогда тоже тщетны. И так, подобным же образом, явление, сопровождающее снаряды, которое я собираюсь вам показать, было однажды в очень несовершенном виде случайно увидено французским артиллеристом Журне, когда этот наблюдатель просто следил за линией полета снаряда с помощью телескопа, точно так же, как и волны, создаваемые пламенем свечи, в слабой степени прямо видимы, а при ярком солнечном свете отображаются в виде теневых волн на равномерном белом фоне.