Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас
Шрифт:
Конечно, не все вертится вокруг темы полового влечения. Любое сказанное слово, услышанная мелодия, увиденный фильм, прочитанная книга, газета, любое выражение на лице воспринимается нами с помощью звуковых либо световых волн. Эти волны, выступающие в роли посредников, мы видим и слышим постоянно, правда, редко отдаем себе в этом отчет. Однако с древности и до наших дней человеческое общение осуществляется благодаря одной группе волн, в которой видимый свет составляет лишь скромную подгруппу. В наш информационный век связующим звеном между человеком и миром информации служат именно они —
Хотел бы я придумать этим волнам имя поласковей. Некоторые зовут их «ЭМ волны», но едва ли так лучше. Электромагнитные волны, будучи явлением в высшей степени удивительным, нуждаются в кардинальной смене образа.
В группу электромагнитных волн входят и радиоволны с наиболее длинной волной, излучение микроволновое и инфракрасное, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское излучение, наконец, гамма-излучение с наиболее короткой волной. Волны средней части спектра — инфракрасное излучение, видимый свет и ультрафиолет — изливаются на Землю Солнцем. Однако самые разные волны — и длинные, и короткие — испускают звезды, галактики, черные дыры и рассредоточенное по нашей Вселенной газообразное вещество. Свидетельств точного значения предельной длины электромагнитной волны до настоящего времени еще не найдено. Наиболее короткие из наблюдаемых — волны гамма-излучения с длиной волны что-то около одной миллиардной части молекулы. Лично у меня такое в голове не укладывается.
Согласно подсчетам, длина самых больших радиоволн начинается с расстояния от Земли до Солнца и тысячекратно превышает его. То есть это диапазон известных волн от 10– 18 до 1011. Если, конечно, подобные цифры вам что-то говорят. (Данные значения, как и везде в этой главе, справедливы для электромагнитных волн в вакууме. На входе в другие среды электромагнитные волны меняют скорость, замедляясь; длина волн при этом уменьшается.)
Посреди этого уму непостижимого спектра длин волн располагается крошечная частота волн видимого света. Эти волны — длиной от 700-750 нанометров (один нанометр, или нм, равен одной миллионной части миллиметра) для красной части спектра и до 400-450 нм для фиолетовой части спектра — имеют длину чуть менее 0,01 толщины человеческого волоса. Волны видимого света, радиоволны, волны рентгеновского излучения, да и любой другой тип электромагнитных волн — все они, что называется, слеплены из одного теста. И отличаются лишь расстоянием от одной электромагнитной вершины до другой, то есть длиной волны.
Закон электромагнитных волн гласит: чем длина волны меньше, а частота выше, тем большее количество энергии волна переносит. [24] Волны с большой длиной волны переносят как раз таки меньше энергии — именно их используют для приема и передачи информации. Вас это наверняка удивит: если волны переносят меньше энергии, почему при передаче информации предпочтение отдается им, а не волнам, переносящим больше энергии? Ведь чем больше энергии волна переносит, тем дальше она распространяется и тем сильнее сигнал. Разве не так? Ответ прост: волны малой длины слишком опасны.
24
На деле звуковые волны вызовут также небольшие колебания пятой струны (нота ля) и третьей струны (нота соль), поскольку те разделяют гармонические частоты четвертой струны. Однако резонанс этих струн будет гораздо менее выраженным по сравнению с резонансом четвертой струны.
И в самом деле, высокочастотные волны ультрафиолетовых лучей, рентгеновского и гамма- излучений до того «энергичны», что, сталкиваясь с молекулами, вынуждают вращающиеся вокруг атомов электроны отрываться; этот процесс называется ионизацией. Длительное облучение ультрафиолетовым или рентгеновским излучением может привести к изменениям в деятельности клеток и образованию раковых опухолей; кратковременное же пребывание под гораздо более сильным гамма-излучением может убить клетки — именно эти волны используют в радиотерапии при борьбе со злокачественными опухолями.
Волны, без которых в наш век информации обойтись невозможно, находятся на другом конце спектра.
Итак, разрешите представить: волны электромагнитной связи. Самые длинные — радиоволны; во время холодной войны противостоявшие друг другу сверхдержавы пересылали с их помощью сообщения подводным лодкам на океаническую глубину. При длине волны почти
Чтобы транслировать радиоволны такой огромной длины, и американцам, и русским приходилось зарывать опоры довольно глубоко, используя саму землю в качестве антенны. С окончанием холодной войны передатчики, на поддержание работы которых уходили немалые средства, оправдывали себя все меньше; на смену им пришли подводные лодки, которые для связи со штабом всплывали к поверхности океана. С подлодок можно было использовать уже более удобные высокие частоты, передавая радиоволновой сигнал, давно знакомый и всем нам, штатским — длина его волны составляет от нескольких километров до нескольких десятков сантиметров. Эти волны — рабочие лошадки века информации, они используются для передачи сигнала радио (что очевидно из их названия) и телевидения. Они же обеспечивают работу прибора, называемого радионяней, а также устройства, автоматически открывающего и закрывающего створки гаража, пульсомера, маяка, предупреждающего об опасности схода лавины. Эти же самые волны делают возможной работу авиационных радиослужб, аппаратов, передающих сигнал точного времени, а также маленьких чипов, не позволяющих воришкам стащить что-нибудь с прилавка магазина. И это лишь небольшая часть перечня сфер применения радиоволн.
Следующими в диапазоне идут электромагнитные волны длиной от нескольких десятков сантиметров до миллиметра — микроволновое излучение. Они могут не только подогревать для вас еду. Эти же волны, только гораздо более низкой интенсивности, используются для связи — вы говорите по сотовому, выходите с ноутбука в Интернет… Они же позволяют вам установить беспроводное соединение с помощью Bluetooth, делают возможной GPS-навигацию, благодаря которой вы выбираетесь из тупика, в который заехали, а еще соединяют вас с абонентом в другой стране, передавая сигнал через спутник. Вообще, любая связь между Землей и спутниками осуществляется благодаря микроволновому излучению — обычно на самой низкой частоте волн, между 10 см и 1 мм.
Возможно, вас удивит широкое использование микроволнового излучения в работе устройств связи, особенно если вы, как и я, всегда считали их годными только для разморозки и подогрева готовой еды. Волны в микроволновках имеют длину волны в 12,2 см; еда нагревается благодаря тому, что молекулы воды (и в меньшей степени — жировые соединения) начинают вращаться. Молекулы Н2O, обладая как положительным, так и отрицательным зарядом, крутятся в разные стороны подобно стрелкам взбесившегося компаса, пытаясь угнаться за электрическим полем, которое перемещается со скоростью 2 450 000 000 раз в секунду; тем временем волны микроволнового излучения проникают в пищу. Ни стеклянная, ни керамическая посуда волнами не нагревается, поскольку молекул воды в себе не содержит.
Однако микроволновое излучение с другими длинами волны обладает частотами либо слишком высокими, либо слишком низкими для того, чтобы большая часть энергии поглощалась водой. Где бы эта самая вода ни находилась: в лотке с полуфабрикатом или в атмосфере, пребывая во взвешенном состоянии. Поскольку волны таких длин, в отличие от радиоволн, с заряженными частицами ионосферы не взаимодействуют, они легко распространяются в нашей атмосфере. Поэтому волны микроволнового излучения как нельзя лучше подходят не только для связи со спутниками, но и для связи с космическими кораблями далеко за пределами земной орбиты. Именно благодаря этим волнам мы держим связь с наиболее удаленным космическим объектом искусственного происхождения — запущенным НАСА автоматическим зондом «Вояджер-1», предназначенным для исследования далекого космоса.