[13$] Теория струн. Просто о сложном.

Простая и наглядная статья, поясняющая в простых аналогиях сложную систему струн, лежащую в основе всего видимого нами мира. Текста жуть как много. Но много картинок и видео, поясняющих основные положения. Приятного чтения.
От музыки к реальности. Введение.

Представьте себе большой оркестр, играющий популярное классическое произведение. Какое произведение из классики вы бы не представили себе, какие инструменты в этом оркестре будут солировать? Барабаны? Они задают ритм, но не более. Духовые? Они дают фон, но солируют в классике крайне редко. Мы можем услышать хорошую сольную джазовую партию на саксофоне, но никак не в классике. Духовые в классике чаще используется именно для придания «атмосферного» фона, или окраски настроения, передаваемого сольными инструментами, но не более. Так кто же в итоге у нас остался? Треугольник? Звук у него очень интересный, но нет. Остаются струнные. Скрипки и пианино (фортепьяно, рояль). Есть еще конечно виолончель и контрабас, но они как правило используются для придания звучанию «атмосферности», аранжировки звука. Все-таки солируют скрипки и пианино. Также представьте себе композицию в стиле рок, в которой вообще не используются струнные инструменты – гитары. Не получается? А какой самый популярный инструмент на посиделках? Баян или акустическая гитара. Духовой либо снова струнный инструмент. Так как баян значительно сложнее в освоении, гитара более распространена. А вы никогда не задумывались, почему это так? Почему среди акустических инструментов (электронную музыку пока не будем обсуждать) именно струнные инструменты самые популярные?

Из школьного курса мы знаем, что звук – это волна. При слове «волна» нам в голову тут же приходит изображение синусоиды, так похожее на вибрирующую струну. Движение по синусоиде привязано к константе Pi посредством математического преобразования линейного движения гармонической волны в полярное движение по одной из самых популярных форм во Вселенной – окружности в двухмерном пространстве либо сферы в трехмерном. Как оказывается легко можно выразить звук через математическую константу, на первый взгляд не имеющую к музыке никакого отношения.
Синусоида и преобразование движения по окружности в синусоиду.

Итак, струна нам напоминает звуковую волну, соответственно из нее проще всего научиться эту волну извлекать. Зажимая определенные части струны, регулируя ее натяжение, перебирая ее, мы легко создаем разные звуки, как по амплитуде (регулируем громкость звука), так и по частоте (каждая нота в октавах – просто определенная частота волны, например нота Ля первой октавы – колебания с частотой 440 Гц, она же эталонная частота для настройки фортепьяно). Нота Ля первой октавы также стандартная частота камертона, генерирующего звук тоже по принципу струны (за счет колебательного элемента).

Подытожим: струнные инструменты – самый популярный вид музыкального инструмента, так как разнообразный звук на их основе проще всего получить. Струнные инструменты могут быть весьма разнообразными, например всем знакомым с русской традицией известны гусли или балалайка, одни из самых популярных дошедших до нас музыкальных инструментов.
Гусли.

А при звуках гучжэна (щипковый струнный инструмент) нам в голову автоматически приходят ассоциации, связанные с Китаем.



На самом деле звуковая волна, представленная как синусоида, с «нанизанными» на нее дополнительными волнами - гармониками – это математическое описание звука, но не форма звука. Как вы уже, наверное, догадались, форма звука, а точнее фронт звуковой волны, скорее напоминает ту самую окружность в двухмерном пространстве (на плоскости) либо сферу в трехмерном. Двухмерное пространство легко смоделировать средствами киматики с помощью поверхности Хладни. В этом случае нота Ля первой октавы (440 Гц) будет выглядеть следующим образом:
Различные фигуры, получаемые на поверхности Хладни на разных частотах, можно подробнее посмотреть здесь: https://www.youtube.com/watch?v=1zw0uWCNsyw

Полученные таким образом фигуры также называют фигурами Хладни и объясняют принципом «стоячей волны». По этой теме была отдельная статья (см. здесь), мы же попробуем сделать следующий шаг и представим себе волну в трехмерном мире, мы же вроде бы в таком живем. Поможет нам в этом вода и прибор, именуемый Cymascope (подробнее на http://www.cymascope.com). В данном приборе вместо разбросанного на поверхности песка используется вода, меняющая свою структуру в зависимости от подаваемого на нее звука. Это все еще не полностью трехмерная картина, но уже лучше, чем просто песок. Много разнообразных и красивых картинок, полученных таким путем, можно найти на указанном выше сайте, либо по адресу http://www.thecymartist.com/my-cymatics-photos, мы же приведем два из них ниже:

Визуализация звука с помощью подсвеченной воды на частоте 56 Гц. Картинка с сайта http://www.thecymartist.com
Визуализация звука с помощью подсвеченной воды. Вода под воздействием звука изменяет свою структуру, по которой ученые пытаются определить форму невидимой нам звуковой волны. Изображение с сайта http://www.cymascope.com/

Чтобы образ звуковой волны закрепился в вашем воображении окончательно, применим для этого технологию голографии, посмотрите видео, представленное ниже:



Что общего между всеми этими изображениями звуковой волны разной частоты? Волна имеет сферическую форму, внутри которой хорошо видны линии, сплетенные между собой причудливым образом. Что это за линии? Это проводники, по которым передается энергия волны. А что это за сфера? Сфера получается потому, что природа старается раздавать энергию равномерно по всем направлениям, поэтому звуковая волна и похожа на расширяющуюся сферу. Как видим, все происходит в динамике: частота звуковой волны определяет структуру этих проводников, а громкость – энергетический заряд волны, соответственно скорость распространения или увеличения сферы, ее интенсивность. Увидеть при таком эксперименте все такие «проводники» мы не можем ввиду ограничений эксперимента, мы видим только самые интенсивные. Вот по поводу «проводников» мы и будем говорить далее.

Принцип проводника или струны, как передающей среды, нам хорошо знаком из электричества. Мы так и не научились передавать электричество без проводов (хотя поговаривают, что способ такой есть и Никола Тесла его знал), в итоге вся наша планета опутана огромным комком передающих кабелей, и примыкающих к ним трансформаторных подстанций, регулирующих электрическую мощность (напряжение) в тех самых кабелях. Звук мы увидеть напрямую не можем, а можем ли мы увидеть электричество? Можем, если успеем рассмотреть либо записать молнию. Молния фактически представляет собой ту же электромагнитную волну, «вытолкнутую» высоким напряжением в видимый нам спектр электромагнитных волн. Однако мало кому удавалось сделать электричество видимым, пока господин Георг Кристоф Лихтенберг (1742-1799) – немецкий физик и философ – не придумал для нас простой способ визуализации, представленный ниже.
Визуализация электрического тока с помощью метода Лихтенберга. Подробнее здесь.

Мы видим, что электричество в отсутствии провода, передается в воздушной, либо в другой среде, как древовидная сеть, состоящая из кучи сплетенных линий с единым началом. С одной стороны, мы знаем, что электричество передается по невидимым для нас «проводам» или «струнам» (прямо как звук), но в отличие от киматических изображений звука, оно больше напоминает дерево, нежели сферическую сеть. Почему так происходит? Потому что в результате экспериментов мы видим часть сети, а не всю сеть струн. Мы видим только «подсвеченные» электричеством струны, то есть те, в которых достаточно для визуализации тем или иным способом энергии. Ту самую энергию мы подаем в одну точку, потому то подсвеченные струны и выглядят, как «дерево». То есть такой вид – скорее ограничение эксперимента, нежели реальная картина. Однако и ее хватит на то, чтобы мы смогли понять, что электричество и звук имеют одну и ту же природу (просто частоты разные, разный энергетический «запал») и передаются по струнам. В случае с фигурами Хладни или фигурами Лихтенберга, мы не сформировали новых струн, но просто «подсветили» определенные струны, из-за чего образовалась иллюзия формирования самих этих струн. Молния бьет в дерево потому, что между деревом и местом формирования молнии самый «толстый канал», или самая толстая струна – струна, могущая перенести такой большой объем энергии. Просто мы не видим эту струну, пока ее не «подсветит» молния.
Но молния бьет не только в неподвижные объекты, вроде дерева или громоотвода, но и в человека во время его движения, скажете вы. Как же тогда быть со струной? Она получается не постоянная? Да, струны находятся в постоянном движении, они меняются все время. Даже если выглядят статичными, как в случае с деревом. Мы можем влиять на эти струны, двигать их, менять «толщину» и т.д., но об этом позднее.

Теперь давайте подумаем вот над чем. Из той же электродинамики мы знаем, что кроме электричества есть еще и магнетизм. (Школа, школа, ты учила нас всему, только мы учиться не хотели и пропускали все мимо ушей.) Как соотносятся друг к другу электричество и магнетизм? Благодаря Джеймсу Клерку Максвеллу (1831 – 1879) и другим именитым ученым мы знаем, что электричество, протекающее по проводам либо в обмотках, сопровождается также перпендикулярным ему магнитным полем.


Вот что говорит об этом Максвелл:

  • «Всякое изменение электрического поля возбуждает в окружающем пространстве вихревое магнитное поле, линии индукции которого расположены в плоскости, перпендикулярной линиям напряженности переменного электрического поля, и охватывают их. Линии индукции возникающего магнитного поля образуют с вектором «правый винт». Рис. 1.1 б

  • Всякое изменение магнитного поля создает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. Линии напряженности вихревого электрического поля расположены в плоскости, перпендикулярной линиям индукции переменного магнитного поля, и охватывают их; они образуют с вектором  «левый винт» (их направление соответствует правилу Ленца).» Рис. 1.1 а

Электромагнитное поле. Подробнее здесь.

То самое «правило буравчика», по которому мы складывали ладошки в школе. Кто ж тогда из нас понимал, что наши пальчики, сложенные определенным образом, демонстрируют нам одно из фундаментальных правил мироздания? Школа, школа… Но давайте изучим такой вопрос, что это за линии, нарисованные на картинках выше и на работах Максвелла? Разве поле не однородно и в нем есть какие-то линии?
Изображения силовых линий электромагнитного поля из книги Джеймса Клерка Максвелла «ATreatise on Electricity and Magnetism», 1873 г.

Да, существуют загадочные силовые линии электромагнитных полей (у Максвелла линии индукции магнитного поля и линии напряженности поля электрического), о которых ученые узнали весьма давно, но толкового объяснения этому дать не смогли до сих пор. Как узнали, ведь они же невидимы? Экспериментально. Самый простой эксперимент – это насыпать на бумагу металлических стружек (лучше железных) и положить магнит. Стружки выстроятся определенным образом, неоднородно, а вдоль изогнутых линий, как на рисунке ниже. Если бы провели такой эксперимент в невесомости, за пределами влияния гравитации, то картинка стружек стала бы трехмерной, образовав сетку, напоминающую тор.

Продолжение.

blog comments powered by Disqus

Добавить комментарий



 

 
 

Promo в Твиттере

Twitter марта 18, 21:00
Блог Елены Мироненко необходимо удалить из Живого Журнала https://ift.tt/2TKkEJ3

Twitter марта 18, 19:30
[4$] Тупые тексты песен Ваенги https://ift.tt/2Hu48GC

Twitter марта 18, 19:00
Возврат миллиардов $-ов в бюджет страны https://ift.tt/2Hzhlyf

Twitter марта 18, 18:00
[18$] Сложные эмоции. Дэвид Иглмен. Тайная жизнь мозга. Как мыслить позитивно https://ift.tt/2JlhhDR

Twitter марта 18, 15:30
[5$] Крым: 5 лет. Что сделано, что нет https://ift.tt/2UChjIy

Twitter марта 18, 15:00
[18$] НАТО плакало, пока Крым праздновал https://ift.tt/2CphCPK

Twitter марта 18, 14:36
[17$] Нужен ли адвокат для ведения дела в арбитражном суде? https://ift.tt/2OdKwY6

Twitter марта 18, 12:30
[10$] Как выжить с синдромом «старой бабки» https://ift.tt/2Jm2poO

Twitter марта 18, 12:01
[7$] Нормальная жизнь: почему в 35 вы еще не зарабатываете 300? https://ift.tt/2CpLYlf

Twitter марта 18, 11:30
[6$] Он открыл миру сексуальную Миллу Йовович https://ift.tt/2Fj0NrA

Twitter марта 18, 10:30
[4$] Мусор из квартиры, где погиб ребенок-маугли, вывозили на грузовиках https://ift.tt/2ue0Crx

Twitter марта 18, 09:00
[5$] Теперь любого мужика могут посадить за "педофилию". Парень с Урала - Алексей Сушко уже сидит. https://ift.tt/2OeNsDS

Twitter марта 18, 08:30
[36$] Все посмотрели видео теракта в Новой Зеландии? https://ift.tt/2TMNcRD

Twitter марта 18, 08:05
[13$] Крымская пятилетка. https://ift.tt/2O9X8PK

Twitter марта 18, 06:00
[4$] Почему одни женщины "все сами", а о других заботятся? https://ift.tt/2ulGIuN

Twitter марта 18, 06:00
[5$] Три часа воскресной жизни блогера фромноссайпрус https://ift.tt/2VZGMvU

Twitter марта 18, 05:00
Лучше, чем жена «Она делает это лучше, чем жена» Неплохой лайфхак для https://ift.tt/2UEFSoc

Twitter марта 18, 04:01
[3$] Анджелина Джоли без ретуши не блещет https://ift.tt/2Fc3JVW

Twitter марта 18, 01:30
Зомби атакуют перед выборами https://ift.tt/2UFOlHV

Twitter марта 18, 00:30
[2$] Yongnuo YN560Li & Yongnuo YN560IV. Литий или Eneloop Pro ? https://ift.tt/2HGN27N

Подпишись в Твиттере