Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас - Гэвин Претор-Пинней

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 в 4 000 км эти волны — единственные, способные пробить толщу морской воды на глубину больше одного метра. Будучи отличным проводником электричества, соленая вода поглощает все волны, кроме самых длинных радиоволн. Подача сигнала на очень низкой частоте, необходимой для такой длины волн, обходится совсем не дешево и требует наличия гигантских передатчиков. У каждой из синхронизированных американских станций связи — в Мичигане и Висконсине — была воздушная кабельная линия, протянутая вдоль телеграфных проводов на расстояние от 22,5 км до почти 50 км. Таким станциям требовались собственные силовые установки. У Советского Союза был один-единственный передатчик — возле Мурманска.

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.

Хорошенько заучите длины всех волн — я потом проверю

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.

«Ты меня слышишь? А то связь ни к черту».

Наиболее удаленная связь посредством микроволнового излучения, какую когда-либо устанавливал человек.

«Вояджер-1» стартовал 5 сентября 1977 года. К настоящему времени он удалился от Земли на расстояние в 16 млрд. км; предполагается, что зонд уже покинул пределы нашей Солнечной системы и каждый день покрывает расстояние в 1,6 млн. км. Как и все остальные электромагнитные волны, волны микроволновые, осуществляющие связь между Землей и далеким космосом, распространяются со скоростью света. Сейчас время прохождения сигнала с «Вояджера-1» до Земли равно почти 15 часам — для нас, говорящих по междугородной или международной связи, эта иногда слышимая в трубке задержка намного меньше.

Однако эхо во время связи по телефону встречается все реже — в наши дни телефонные переговоры, как и Интернет-связь, а также кабельное телевидение осуществляются благодаря инфракрасным волнам и оптиковолоконному кабелю. Обладая более высокими по сравнению с микроволновым излучением частотами и длиной волны от 1 мм до 760 нм (миллионные доли миллиметра), эти электромагнитные волны легко блокируются самыми разными плотными материалами. Вот почему в пульте дистанционного управления телевизором используются именно волны инфракрасного излучения. Если бы на месте инфракрасных оказались какие-нибудь другие волны, ссоры между соседями происходили бы ежедневно, а то и ежечасно. Запомните, что электромагнитные волны разнятся между собой лишь длиной волны и частотой. Удивительно то, что все они относятся к одному и тому же виду волн, только диапазон у них разный. И хотя мы об этом даже не задумываемся, волны в любой момент окружают нас, проходят через нас — бесконечные потоки сообщений, сигналов, информации, которые накладываются, перекрываются, совмещаются и текут дальше. И хотя нам доступна лишь крохотная частица всей электромагнитной какофонии, она, эта какофония, тем не менее, существует. Как сказал физик Ричард Фейнман, любитель игры на барабане бонго: