الصوت
عادةً ما نشير إلى الصوت من حيث الكيفية التي يُدرَك بها من جانب الأُذن البشرية. مصدر الصوت هو جسم يُصدِر ذبذبات، وينقل الهواءُ موجاتِ الصوت إلى آذاننا، التي تعمل بالتعاون مع المخ على توصيل المعلومات لنا. لكن الصوت له أهمية في مناحٍ أخرى من مناحي الحياة. على سبيل المثال، يتطلَّب تحريك مسطرة القياس وجود تفاعلات بين الجزيئات — موجة صوتية — كي يعلم طرف المسطرة الآخر أن عليه التحرك مع حركة المسطرة. التحديات التالية تَسْبُر بالكاد دنيا علم الصوت الواسعة.
(١) المَحَارة
ضع مَحَارة على أُذنك وستسمع سيمفونية خلَّابة من الأصوات. لماذا توجد هذه الأصوات في المَحَارة؟
(٢) الاستماع إلى صوتك
كل شخص تقريبًا سيؤكِّد عند سماع صوته المسجَّل أن هذا الصوت المسجَّل يختلف عن صوته المعروف. هل نحن ضحيةُ وَهْم، أم أن هذا الاختلاف حقيقي؟
(٣) دمدمة في الأذن
في غرفة هادئة، ضَعْ إصبعَيك الإبهام في أُذنيك واستمع بحرص لصوت الدمدمة الخفيض على تردُّد يبلغ نحو ٢٥ هرتز أو أقل قليلًا. ما الذي يُنتج هذا الصوت؟
كان مصدر الإلهام الرئيسي لكبلر هو مبدأ الإيقاع السماوي الفيثاغوري، الذي تعرَّف عليه في كتابات أفلاطون. كان أفلاطون قد كتب يقول: «مثلما أعيننا مهيَّأة لعلم الفلك، فآذاننا مهيَّأة بالمثل لحركات الإيقاع، وهذان العِلمان شقيقان، وهو ما يذهب إليه الفيثاغوريون ونوافق عليه.» وفي كتابه الأخير «الجمهورية»، رسم أفلاطون بجمال عظيم رحلةً إلى الفضاء؛ حيث تصاحب حركةَ كلِّ كوكب سيرانةٌ فاتنة تغنِّي: «صوتًا واحدًا، بنغمة موسيقية واحدة، ومن الثمانية جميعهم يوجد تناغم ذو إيقاع واحد.»
(٤) الصوت في أنبوب
كيف يمكن للصوت المنتقل داخل أنبوب أن ينعكس من طرفه المفتوح، مِنْ لا شيءٍ؟
ضبط البيانو الكبير البالغ طوله ستَّ أقدام يرتفع في التردد بمقدار ٠٫٣ بالمائة (٠٫٠٥ نصف نغمة) حين تزيد الرطوبة النسبية بحوالي ١٠ بالمائة.
(٥) ليالي الصيف
لماذا ينتقل الصوت على نحو طيب فوق الماء، خصوصًا في الصيف؟
(٦) طلقات المدفع
في الثاني من فبراير ١٩٠١م، أُطلقت المدافع في لندن حزنًا على وفاة الملكة فيكتوريا. سُمع دوي المدافع في أرجاء المدينة، لكن ليس في المناطق الريفية المحيطة بها. لكن من الغريب أن دَوِيَّ المدافع سُمع من جانب القرويين الذين كانوا على مسافة تسعين ميلًا. كيف يمكن أن يتخطَّى الصوت ضواحي لندن ويصل إلى مسافة تسعين ميلًا؟
(٧) التَّحدث عكس اتجاه الرياح
لماذا من الصعب أن تسمع الصوت في عكس اتجاه الرياح؟ بخلاف التأثير الحاجب الذي تُحدِثه الضوضاء التي تُنتجها الرياح، هل السبب أن الرياح «تعصف» بالصوت إلى الوراء؟
تحدَّثت مارسيا دافنبورت في مذكِّراتها عن الحفلات الموسيقية التي كانت تقيمها والدتها، السوبرانو العظيمة ألما جلوك: أحيانًا كان يشارك بها إفريم زيمباليست أو جاشا هايفتز لو كان حاضرًا، وفي بعض الأحيان على الجانب الآخر كان البروفيسور أينشتاين يطلب من الرباعي في حياء أن يشارك في العزف في دور عازف الكمان الثاني. كان عازفَ كمانٍ شنيعًا لكنهم كانوا يقفون في حضرته في تبجيل، وكانوا يتشرَّفون بوجوده وسطهم. لكنهم كانوا ينظرون إليه خُفية في أسًى بينما الكمان يُصدِر صريرًا في يديه، وهو يبتسم من تحت هالة شعره الأبيض! كان نادرًا ما يعد النغمات بشكل صحيح، وهو أمر رأوه محيرًا أن يصدر عن أعظم الفيزيائيين الرياضيين.
(٨) صفافير الضباب
لماذا تُصمَّم صفافير الضباب بحيث تُطلِق فقط أصواتًا منخفضة الحدة؟
الموسيقى تدريب حسابي سرِّي، ومن ينغمس فيها لا يدرك أنه يتعامل في الأرقام.
(٩) السمع من عَلٍ
كيف يتأتَّى لمتسلِّقي الجبال وراكبي المناطيد أن يسمعوا ويفهموا الأشخاص الموجودين على الأرض، حتى من على ارتفاع نصف الميل، بينما لا يستطيع أولئك الموجودون على الأرض سماعهم أو فهمهم على الإطلاق؟ على سبيل المثال، يمكن سماع شخص يغني بحدةِ صوتٍ مرتفعةٍ وفَهْم ما يقول من جانب أولئك الموجودين على ارتفاع عالٍ، بينما العكس لا يكون ممكنًا!
إنما مأساة العلم الكبرى هي ذبح الفرضية الجميلة على يد الحقيقة القبيحة.
(١٠) الصوت التصاعدي للشوكة الرنَّانة
تهتز الشوكة الرنانة في اتجاهين متعارضين عند كِلا طرفيها، وتهتزُّ إلى الأعلى والأسفل عند اليد. إذا أمسكتَ شوكة رنانة رأسيًّا قُرب إحدى أُذنيك وأدَرْتَها ببطء حول المحور الرأسي المار عبر اليد، فستسمع الصوت وهو يزداد علوًّا ونعومة.
إذا لم يكن تداخل موجات الصوت المنتَجة بواسطة الطرفين هو السبب، فما السبب إذن؟ (ملحوظة: الطرفان يبعدان أحدهما عن الآخر نحو سنتيمترين إلى ثلاثة سنتيمترات، وهو ما يعادل طولًا موجيًّا يبلغ قرابة المتر.)
(١١) انتباه!
هل تستطيع المتحدِّثة الأنثى أن تصل بصوتها إلى كل جنبات القاعة بسهولة أكبر من المتحدِّث الذكر؟
يُعتقد أن النطاق الأعلى للسمع البشري عن طريق الهواء لا يتجاوز نحو ٢٤ ألف هرتز. ومع ذلك، تستطيع الأذن البشرية أن تسمع بشكل طيب حتى نطاق الموجات فوق الصوتية؛ وذلك حين يجري توصيل المثير فوق الصوتي عن طريق العظام.
(١٢) مطَّاط ورصاص
الصُّلبة والسائلة بشكل أسرع مما ينتقل عبر الغازات. من أمثلة ذلك أن سرعة انتقال الصوت عبر الصُّلب تبلغ نحو ٥ آلاف متر في الثانية، وتبلغ ١٥٠٠ متر في الثانية عبر مياه البحر، بينما تبلغ نحو ٣٤٠ مترًا في الثانية عبر الهواء. لماذا إذن تبلغ سرعة الصوت في مادة الرصاص ١٢٠٠ متر في الثانية فقط، بينما لا تتجاوز — على نحو مثير للدهشة بالمثل — ٦٢ مترًا فقط في المطَّاط؟
الطاقة الصوتية التي يُطلِقها ٥٠ ألف مشجِّع يصرخون بأعلى أصواتهم على مدار مباراة كرة القدم ستكفي بالكاد لتدفئة فنجان من القهوة.
(١٣) التحدث بعد استنشاق الهليوم
لماذا تبدو أصوات الناس أكثر حدةً عندما يستنشقون غاز الهليوم؟
(١٤) قاعتان موسيقيتان
يبيِّن الشكل التالي قاعتَيْن موسيقيَّتَيْن تختلفان من حيث التصميم فقط في شكل السقف أعلى الأوركسترا. تبيِّن الأرقام الفوارق الزمنية بالملِّي ثانية بين زمن وصول الصوت المباشر والصوت المنعكس. أيُّ القاعتين أفضل من الناحية الصوتية، مع تساوي العوامل الأخرى كافةً؟
كان فيثاغورس يحتفظ بقيثارته كي يعزف عليها الموسيقى قبل الخلود إلى النوم وبعد الاستيقاظ، وذلك كي تتشرَّب رُوحه بطبيعتها السماوية.
(١٥) زئير الفأر
كلنا سمعنا تعبير «زئير الفأر»، لكن هل هناك أي أساس علمي له؟ وعلى الجانب المقابل، هل يمكن لفيل أن يُصدِر صوتًا عاليَ الحدَّة؟
يقطع الصوت مسافات عظيمة في المناطق القطبية. والحيوانات في هذه المناطق لها آذان صغيرة؛ لأنها قادرة على أن تسمع نُباح كلب على مسافة ١٥ ميلًا. لكن في المناطق الصحراوية الحارة، حيث ينتقل الصوت على نحو رديء، تمتلك الحيوانات آذانًا كبيرة حسَّاسة؛ لتعظيم قدرتها على التقاط الأصوات.
(١٦) نغمات صوتية جهيرة
كيف تتمكَّن الهواتف وغيرها من الأجهزة ذات السمَّاعات الصغيرة من إنتاج نغمات صوتية جهيرة لها طول موجي يفوق حجمها عشرات المرات؟
(١٧) الطبقة الصوتية الافتراضية
بعض أنواع الموسيقى الكورالية يبدو أنه يتضمَّن نغمات غير موجودة في أصوات المغنين من الأساس، ومع ذلك فنحن نسمع هذه النغمات بكل تأكيد. وفي الموسيقى التي يؤدِّيها رُهبان التبت عادةً ما نسمع هذه النغمة الإضافية، التي يُطلَق عليها الطبقة الصوتية الافتراضية. ما تفسير هذا الأمر؟
خلص كلٌّ من إم إي براين وآي كولجر (دراسة علم الصوتيات ٢٩ [١٩٧٣]: ٢٢٨–٢٣٣) إلى أنه عند أداء المهام الفكرية، تُعَدُّ الضوضاء عاملَ مساواة كبيرًا في الأداء. فقد وجدا في تجربتهما أن الأذكياء عانَوْا من تدهور في الأداء في البيئة الصاخبة، بينما تحسَّن أداء الأفراد الأقل ذكاءً.
(١٨) الغناء في الحمَّام
في الحمَّام، حتى صوت المغني الرديء يمكن أحيانًا أن يبدو جميلًا. هل من أفكار بشأن أسباب هذا التغيُّر؟
(١٩) حَكُّ قطعة من الخشب
خُذْ قطعة طويلة من الخشب وضَعْ إحدى أُذنيك على أحد طرفَيْها. مُدَّ ذراعك وحُكَّ أبعد موضع يمكنك الوصول إليه على قطعة الخشب. سيبدو صوت الحكِّ عاليًا، لكن إذا أبعدت أُذنك وواصلت حكَّ قطعة الخشب كما في السابق، فلن يكون هناك أي صوت مسموع تقريبًا. لماذا؟
(٢٠) هاتف الخيط والكوبين البسيط
أيُّ اتجاه للكوب البلاستيكي في هذا الهاتف البسيط المكوَّن من خيط وكوبين يُنتِج صوتًا أعلى في الأُذن؟
نظام تحديد المواقع الأنفي عن طريق الصدى لدى الدلافين له طول موجي يمكِّنه من أن يرى خلال أجساد الحيوانات الأخرى والبشر. فالجلد والعضلات والدهون تكاد تكون شفَّافة أمام الدلافين؛ ومن ثم تستطيع الدلافين أن «ترى» خطًّا رفيعًا يحدِّد شكل الجسد بينما تكون العظام والأسنان والتجويفات المملوءة بالغاز ظاهرة لها بوضوح. وهذه التجويفات تضم الجيوب والرئتين وتجويف الفم والشُّعَب الهوائية والأمعاء وما إلى ذلك. ورغم أن أصداءها تحمل معلومات بشأن الحالة البدنية للدلافين الأخرى، أو البشر أو الحيوانات التي تنظر إليها، فإننا لا نعرف، في الوقت الحالي، إن كانت الدلافين تعرف دلالة ما «تراه» داخل أجسامها، أو أجسامنا. ومع ذلك فهي تتلقَّى بالفعل دلائل مادية عن وجود الأورام السرطانية وغيرها من الأورام والسكتات الدماغية والنوبات القلبية، بل والحالات الانفعالية.
(٢١) طائرة أسرع من الصوت
لماذا تُحدِث الطائرة التي تحلِّق بسرعة تفوق سرعة الصوت ذلك الصوتَ الهادر المشير إلى اختراق حاجز الصوت مرتين؟
(٢٢) لُعبة سلينكي الزنبركية
ثبِّتْ أحد طرفي لعبة سلينكي الزنبركية إلى جدار (أو نافذة)، بحيث تعمل عمل لوحة ترديد الصوت، وأمسِكْ بالطرف الآخر في يدك على مسافة نحو عشر أقدام من الجدار. يجب أن يكون الزنبرك مرتخيًا، لكن دون أن تتلامس لفَّاته بعضها مع بعض. في هذا الوضع يكون الزنبرك في مستوًى أقل من مستوى الشد الطبيعي. بعد ذلك انقر على الطرف القريب من يدك بقلم رصاص واستمع. ما الذي ستسمعه؟ (تلميح: السرعة التي تنتقل بها الطاقة الصوتية تتناسب طرديًّا مع الجذر التربيعي للتردد.)
(٢٣) كئوس النبيذ الموسيقية ١
عند حكِّ حافة كأس من النبيذ بإصبع رطب، يمكنك أن تجعل كأس النبيذ تُصدِر نغمة موسيقية. لو أنك طرقت على الكأس بملعقة، ما الذي تتوقَّع حدوثه؟ هل الصوتان بينهما علاقة؟
(٢٤) كئوس النبيذ الموسيقية ٢
عند حكِّ حافة كأس من النبيذ بإصبع رطب، يمكنك أن تجعل كأس النبيذ تُصدِر نغمة موسيقية. ما الذي يحدث لتردُّد الصوت حين تضيف ماءً إلى كأس النبيذ الموسيقية؟
العالِم لا يدرس الطبيعة؛ لأن هذه الدراسة مفيدة، بل هو يدرسها لأنه يسعد بدراستها، وهو يسعد بدراستها لأنها جميلة. وإذا لم تكن الطبيعة جميلة، فلن تستحق أن نعرفها، وإذا لم تكن الطبيعة تستحق أن نعرفها، لم تكن الحياة لتستحقَّ أن تُعاش.
(٢٥) أساسيات رن الجرس
لماذا تُضرَب الأجراس ذات النغمات الموسيقية المختلفة على نحو متتابع دائمًا وليس على نحوٍ متزامن؟
يمكننا وصف العلوم الفيزيائية بأنها تلك العلوم التي تشكِّل فيها الرابطة الواضحة بالخبرات الفعلية قيدًا مزعجًا تحاول هذه العلوم أن تحرِّر نفسها منه أكثر وأكثر.
(٢٦) صدى الغابة
بعض المواضع يُنتِج صدًى له تردُّد مختلف بشكل جِذْري عن تردُّد الصوت الأصلي. على سبيل المثال، إذا تحدثتَ قُبالة تجمُّع كبير من أشجار التنوب من على مسافة، فقد يعود صدى صوتك وقد ارتفع بمقدار أوكتاف (جواب موسيقي). ما العمليات الفيزيائية المسبِّبة لهذا الأمر؟
(٢٧) تعلية النغمة الخفيضة
عند تشغيل الصوت المسجَّل مسبقًا بصوت منخفض بواسطة نظام صوتي مجسم (ستيريو)، لماذا يتعيَّن تعلية النغمة الخفيضة بدرجة كبيرة من أجل الحفاظ على توازن النغمات؟ لماذا لا يكون تضخيم الصوت هذا ضروريًّا حين تُشغَّل الموسيقى نفسها بصوت عالٍ؟
(٢٨) جاذب الانتباه الشخصي
هَبْ أنك في متجر مزدحم أو مركز تجاري، وتودُّ أن ترسل رسالة صوتية خاصة لشخص واقف وسط منطقة مزدحمة. هل بالإمكان عمل هذا؟ تذكَّرْ أن موجات الصوت لها طول موجي يفوق المتر؛ ومن ثم سيُطلِق مصدر الصوت الطبيعي موجات صوتية تنتشر زاوِيًّا في القاعة كلها.
عندما ثار بركان كراكاتوا، وهو بركان موجود في جزيرة صغيرة في إندونيسيا، عام ١٨٨٣م، سُمع دوي ثورانه على مسافة ٣ آلاف ميل.
(٢٩) السُّلَّم الموسيقي
هَبْ أن موسيقيًّا عزف على نحوٍ متكرِّر نفس تتابع النغمات التي تعلو كل واحدة عن سابقتها بأوكتاف واحد. ما الذي سيسمعه المستمعون؟ بدلًا من أن يسمعوا النمط يتوقَّف ثم يعاود البدء مجددًا، سيسمع العديد من المستمعين النمط وهو يتصاعد إلى ما لا نهاية من حيث طبقة الصوت! وبعزف تتابع النغمات نفسه عكسيًّا على نحوٍ متكرِّر، سيسمع المستمعون أنفسهم النمط وهو ينخفض إلى ما لا نهاية. ما تفسير ذلك؟
يبدو أن كمال الوسائل والتباس الغايات هو ما يَسِم عصرنا.
(٣٠) أين تذهب الطاقة؟
عندما تلتقي موجتان صوتيتان في منطقة واحدة وتُلغي إحداهما الأخرى بفعل التداخل الهدَّام، أين تذهب الطاقة؟
(٣١) جرس يدق داخل ناقوس زجاجي*
(٣٢) بيانو مضبوط النغمات*
في البيانو المضبوط النغمات، رغم ما يُصدره البيانو من صوت محبَّب، فإن كل نغمة تكون في الواقع غير متناغمة مع الأخريات. في الواقع، إذا كان البيانو مضبوط النغمات بصورة مثالية، فإن أصواته ستُزعج أُذنَيْك وتكون في مواضع تبدو غير متناغمة بالمرة. ما تفسير هذا الأمر؟
(٣٣) دق أوتاد الخيمة*
يُمكن دقُّ الوتد الحديدي في الأرض بسهولة، وسيكون ثابتًا على نحو محكَم، أما الوتد الخشبي الذي له نفس الشكل فسيكون من الصعب دقُّه في الأرض، وسينتهي به الحال على نحوٍ مقلقل. ما سبب هذا الاختلاف الجذري؟
بعض رُهبان التبت يمكنهم إيهام الناس بأنهم يغنُّون نغمتين صوتيَّتين في الوقت عينه. فبغناء النغمة الصوتية التي يبلغ تردُّدها نحو ٦٣ هرتز، تُضبَط الطبقة الصوتية الأولى على حوالي ٣١٥ هرتز، والثانية على حوالي ٦٣٠ هرتز. وهاتان الطبقتان تتوافقان مع النغمتين التوافقيَّتين الخامسة والعاشرة للتردُّد ٦٣ هرتز. ولأن كل نغمة توافقية في سلسلة النغمات الخاصة بالتردُّد ٦٣ هرتز تكون حاضرة، تُسمع هذه النغمة الصوتية. والتركيز على التردُّدين ٣١٥ و٦٣٠ هرتز يوهِم السامعين بأن نغمة صوتية تردُّدها ٣١٥ هرتز يجري غناؤها في الوقت نفسه أيضًا. والنغمة التوافقية الخامسة لأي نغمة صوتية تعادل مسافة موسيقية مقدارها أوكتافان وثلث كبير، وبهذا يُحدِث مزيجُ النغمتين صوتًا محبَّبًا، وإن كان مزيجًا موسيقيًّا غير معتاد.
(٣٤) عُلُو الصوت*
ثمانون بالمائة من المشكلات لا تستحق القلق بشأنها، و١٩٫٥ بالمائة منها غير قابلة للحل، أما الجزء المتبقي البالغ ٠٫٥ بالمائة فيحتاج إلى عبقري كي يحله.
