Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы - от кухни до космоса

Волна – это то, что каждый из нас распознает без труда, но описать ее довольно сложно. Волны у морского побережья представляют собой бесконечную последовательность водных гребней, волнистую форму на водной поверхности, которая перемещается откуда-то оттуда куда-то сюда. Мы можем измерить их, оценив расстояние между следующими друг за другом пиками волн и высоту самих пиков. Водяная волна может быть такой же маленькой, как мелкая рябь, возникающая на поверхности чая, когда вы дуете на него, чтобы охладить, или настолько большой, что способна накрыть корабль средних размеров.

Но у волн есть одна весьма необычная особенность, заметить которую мне помогли пеликаны, живущие в Ла-Холья. Коричневые пеликаны селятся вдоль побережья и имеют такой допотопный вид, как будто проникли в наше время сквозь пространственно-временные туннели из далекой эпохи, отделенной от нас несколькими миллионами лет. У них смешные длинные клювы, которые они обычно прижимают к телу. Можно часто наблюдать, как небольшие группы этих любопытных птиц величаво парят над волнами параллельно берегу. Время от времени они бесцеремонно плюхаются на водную поверхность. И после этого происходит самое интересное: волны, на которых покачиваются пеликаны, движутся в сторону берега, но птицы остаются на месте.

Оказавшись в следующий раз на берегу моря, понаблюдайте за волнами, которые катятся в вашу сторону, и за птицами, усевшимися на водную поверхность [47]. У них совершенно безмятежный вид. Они сидят на волнах, катящихся под ними, то поднимаясь, то опускаясь, но их положение по отношению к берегу не меняется [48]. О чем это говорит? Что вода как таковая остается на месте. Волны движутся, но среда, на которой они образуются – то есть вода, – неподвижна. Волна не может быть статичной: механизм ее создания работает, только если эта форма движется. Таким образом, волны всегда движутся. Они переносят энергию (поскольку ее нужно затратить, чтобы придать воде форму волны и вернуть ее в исходное состояние), но не «материю». Волна – это регулярная подвижная форма, переносящая энергию. Полагаю, именно поэтому (по крайней мере частично), сидя на берегу и всматриваясь в морскую даль, человек успокаивается, отдыхая душой и телом. Я могла видеть, как волны непрерывно доставляют энергию к берегу, а сама по себе вода остается на месте.

Волны бывают разных типов, но некоторые базовые принципы относятся к ним всем. У звуковых волн, издаваемых дельфином, волн на поверхности воды от брошенного камушка и световых волн, исходящих от далекой звезды, много общего. В наши дни человек не только реагирует на волны, посылаемые ему природой. Мы также вносим свой, подчас очень сложный вклад в столпотворение волн вокруг нас, и он соединяет множество элементов нашей цивилизации, разбросанных по планете. Но современным людям, осознанно использующим волны для укрепления культурных связей, не принадлежит пальма первенства. Эта история началась несколько столетий тому назад посреди гигантского океана.

Король, скользящий по волнам на доске, – картина по современным меркам более чем странная. Но 250 лет тому назад на Гавайях у каждого короля, королевы, правителя и правительницы была собственная доска для серфинга, а мастерство катания на ней составляло предмет особой гордости царствующих персон. Для гавайской элиты изготавливались специальные длинные узкие доски «Оло», тогда как простые смертные довольствовались более короткими и маневренными «Алайя». Соревнования были центральным сюжетом многих гавайских историй и легенд [49]. Когда вся ваша жизнь протекает на тропическом острове с восхитительной природой, окруженном глубоким синим океаном, формирование культуры на основе всего, что связано с морем, представляется вполне естественным. Но гавайским первопроходцам серфинга повезло больше, чем жителям других тихоокеанских островов: волны, образующиеся возле Гавайских островов, были «правильными», то есть как нельзя лучше подходили для катания на доске. Эта небольшая островная нация, обитающая посреди безбрежного океана, волею судеб обрела идеальное местоположение. География и физика Гавайских островов отфильтровала все океанские сложности, а короли и королевы скользили по результатам этой фильтрации.

В то время как в безветренные дни гавайцы возносили молитвы своим богам, упрашивая их поднять океанские волны до высоты, пригодной для полноценного серфинга, за тысячи километров от этих мест океан мог выглядеть совершенно иначе. Ветры могучих штормов обрушивались на его поверхность и передавали свою энергию воде, на которой образовывались высокие волны. Но волны, порождаемые штормами, это беспорядочная смесь коротких и длинных волн, движущихся в разных направлениях, сталкивающихся друг с другом, разбивающихся и перестраивающихся. Зимние штормы регулярно свирепствуют на широте примерно 45°, поэтому они возникают либо к северу от Гавайских островов, когда зима наступает в Северном полушарии, либо к югу от Гавайских островов, когда зима наступает в Южном полушарии. Но волны должны куда-то двигаться. Когда ураганные ветры обрушиваются на океанскую поверхность, участок океана, охваченный сильным волнением, расширяет свои границы за пределы урагана – в места, куда не достает шторм. И здесь может начаться сортировка: проявляется истинная природа нагромождения волн, на первый взгляд кажущегося беспорядочным. На самом деле это вовсе не хаос, а совокупность волн разного типа, смешанных друг с другом. Более длинные волны движутся быстрее, чем короткие, поэтому и уходят быстрее, существенно опережая своих меньших собратьев. Но в процессе движения волне приходится кое-что терять. Она постепенно отдает энергию своему окружению, причем ее количество в расчете на каждую милю пройденного пути больше у коротких волн. Следовательно, короткие волны не только уступают в скорости длинным, но и теряют больше энергии. Так что неудивительно, что им требуется не так уж много времени, чтобы полностью исчезнуть. За тысячи километров от центра шторма спустя несколько дней движутся лишь самые длинные волны с гладкими регулярными гребнями, распространяясь концентрическими окружностями по всей планете.