Светящиеся червячки и светлячки

 

Живые организмы тоже могут излучать свет. Но не для того чтобы читать в темноте или освещать себе путь, а чтобы привлекать партнеров или отпугивать хищников. На земле хвосты светящихся червяков и светлячков мерцают, точно огонек свечи в ночи. В глубинах океанов замечены величественные кальмары, сардины и морские звезды, которые освещают океанскую толщу таинственным голубоватым светом. По-научному этот подводный фейерверк называется биолюминесценцией. Он порожден возбужденными атомами, которые выплескивают избыточную энергию.

Разумеется, живые существа создают свет по-своему. Светлячки не поджигают себя, как свечи, и не работают на батарейках, как карманные фонарики. Они заставляют химические вещества, которые накапливаются в их теле (люциферин и люциферазу), взаимодействовать друг с другом и генерировать свет. Это похоже на химические фонари, которые развешивают по стенам поездов на случай аварии. Разломите такой фонарь пополам, и вы разрушите стеклянный контейнер, смешав два вещества и создав свет в качестве побочного продукта реакции. От личинок или светлячков много света получить невозможно. Чтобы добиться яркости свечи, нужно более сотни светлячков[160]. Однако само явление выглядит впечатляюще.

 

 

Наука о сверкающих ботинках

Когда я был ребенком, то не понимал, почему меня постоянно заставляют чистить ботинки. В чем смысл? Начищенные ботинки оставляли пятна гуталина на полу в кухне. А уж запах от них исходил – точно от химического завода. Когда я шагал по грязи, то презирал свои чистые ботинки. Держа нос по ветру, я никогда не обращал внимания, что происходит на земле. Сегодня, гуляя по английской глубинке, я понял всю пользу, которую может принести моим тяжелым ботинкам обувной крем. Он не только защищает обувь от влаги, но и заставляет ее служить чуть ли не вдвое дольше (крем для обуви смазывает ее и предохраняет от растрескивания при сжатиях и натяжениях).

Почему начищенные ботинки сверкают? Простая кожа выглядит непривлекательно, потому что покрыта морщинами и трещинами. Когда свет падает на такую поверхность, он рассеивается во все стороны. Но лучи света попадают в ваши глаза, поэтому вы, собственно, и видите свои ботинки и различаете их цвет – коричневый, голубой или какой-то еще. Лучи света отражаются от поверхности ботинок неравномерно. Такое отражение называется диффузным. При этом лучи света расходятся от отражаемой поверхности во всех направлениях и под разными углами. Она совсем не похожа на плоское полированное зеркало. Отражения всех ваших прыщиков и морщин падают на зеркало под определенным углом и под тем же углом достигают хрусталиков глаз. Так что вы получаете идеальное отражение своего лица. И оно называется зеркальным.

Когда вы чистите туфли, вы покрываете их кремом на основе воска, который заполняет все неровности на коже и создает более или менее однородную поверхность. Это похоже на то, как в ходе ремонта дороги рабочие заделывают ямки. Попадающие на кожу лучи света отражаются более упорядоченно, поэтому поверхность ботинка становится немного похожей на зеркало.

Если вам нравится видеть свое отражение в сверкающей обуви, но ненавистна мысль потратить на достижение такого блеска 10 минут, подумайте о людях, которые делают телескопы. Компания Perkin Elmer, которая изготавливала зеркало для гигантского телескопа «Хаббл» диаметром 2,4 м, работала над ним 18 месяцев. Почему так долго? Потому что, когда вы имеете дело с таким явлением, как свет, и пытаетесь найти объекты в центре Вселенной, малейшие изъяны и царапины на поверхности зеркала даже размером с атом могут вам помешать. Зеркало для телескопа компания Perkin Elmer полировала с точностью до 20–30 нм (это примерно сумма диаметров 50 атомов, помещенных друг на друга). Если бы это зеркало имело размеры Земли, то изъяны на нем были бы меньше вашей ладони (около 10 × 4 см). К сожалению, инженеры компании были так одержимы идеей идеальной полировки зеркала, что форму ему придали неправильную.

Но это уже совсем другая история[161].

 

Глава 11. Радио «Туфта»

 

Из этой главы вы узнаете…

Почему мачты с радиоантеннами тянутся высоко в небо – а мобильные телефоны легко умещаются в кармане.

Как «червяк» помог создать современную глобальную сеть связи.

Почему вы не можете приготовить корму из курицы [162] с помощью смартфона.

Как мобильные телефоны едва не появились в викторианскую эпоху.

Земля, воздух, огонь и вода – классические элементы природы, известные еще с давних времен. Некоторые древние мыслители, достаточно прозорливые, чтобы понять, что четырех элементов мало, полагали, что в природе, возможно, есть еще пятый, квинтэссенция. Его часто называли эфиром (или даже «светящимся эфиром») и считали таинственной, волшебной, воздухоподобной субстанцией, чем-то вроде пустоты, которая заполняет нашу Вселенную, предположительно позволяя свету распространяться в пространстве. Только в 1887 году ученые поняли, что эфир – миф, а свет может проникать всюду без посредников[163]. Это соответствовало популярной тогда гипотезе о том, что на самом деле свет – разновидность электромагнитного излучения, имеющая волновую природу. А в начале XX века появился очень практичный способ мгновенной передачи информации на расстояние: радио.

Но так было не всегда. Несколько столетий назад о связи с людьми на далеких континентах никто и не думал. Жизнь была гораздо более локализована, и обычный разговор, в крайнем случае крик были достаточно эффективными способами донести свое сообщение до окружающих. Звук распространяется быстро, со скоростью чуть более 1200 км/ч, но его недостатки очевидны всем. Когда молния вспыхивает на другом конце города, раскаты грома доносятся до нас только через несколько секунд. Свет доходит до нас мгновенно, а звуку, который возникает практически одновременно с ним, необходимо около трех секунд, чтобы преодолеть километр расстояния.

Если бы мы полагались только на звуковые волны, современные виды связи были бы невозможны. Нам кажется, что Boeing-747 на большой высоте движется со скоростью несколько сантиметров в секунду, а ведь звук быстрее этого самолета всего на 30 %. Представьте себе разговор между Нью-Йорком и Лос-Анджелесом (разделенными почти 4000 км), при том что ваш голос распространялся бы со скоростью звука. Он бы летел меж облаков чуть быстрее реактивного самолета. Чтобы одно предложение дошло от одного собеседника до другого на таком расстоянии, потребовалось бы около 3 часов. И столько же шел бы ответ. Обычный разговор, когда собеседники обмениваются примерно 30 предложениями за две минуты, растянулся бы на четыре дня и ночи. Свет же превращает нашу Землю в маленькую точку. Луч света достигает Луны примерно за секунду, Солнца – за 10 минут, а Марса – за 20. Ограниченность скорости света становится понятна только тогда, когда мы начинаем мыслить межгалактическими и вселенскими масштабами.

Оглянитесь, и вы сразу увидите, что б о льшая часть входящей информации попадает к вам на волшебном ковре электромагнитного излучения. Радио, телевидение, телефон и интернет основаны на электромагнитных волнах. Даже когда вы смотрите в окно, мечтая о будущем, ваши глаза получают информацию в виде световых волн и направляют ее на обработку в ваш мозг. Случайно ли, что разные виды электромагнитного излучения становятся незаменимыми переносчиками информации? Или здесь есть какая-то хитрость? И почему электромагнитные волны так быстро распространяются в пространстве?

 

Свет всегда был прав

 

Многие полагают, что связь со скоростью света – нечто принципиально новое, хотя даже мобильным телефонам, в которых данные передаются с помощью радиоволн, уже больше 40 лет[164]. Но на самом деле связь между людьми со световой скоростью – явление очень древнее. Вспомните доисторические способы связи с помощью сигнальных дымов или использовавшиеся во флоте семафорные флажки. А яркие костры, разведенные на вершинах холмов, чтобы сигнализировать о вторжении противника? А подмигивающие маяки или светящиеся семафоры на железной дороге? Так информация передается визуально, со световой скоростью, пусть и не всегда на значительное расстояние.

По иронии судьбы, развитие электричества сделало связь медленнее, а не быстрее, по крайней мере вначале. Отправить сообщение по проводам занимает больше времени, чем по воздуху в виде луча света. Ничего быстрее скорости света в природе не существует. Однако сначала именно электричество произвело революцию в связи. Люди даже попытались проложить подводный кабель между Великобританией и Северной Америкой. Но, когда линия была завершена, для передачи подписанного королевой Викторией первого трансатлантического сообщения понадобилось 16 с половиной часов вместо 12 дней. Позже такие сообщения передавались за считаные минуты[165]. Звучит впечатляюще, если только вы не вспомните, что лучу света для перелета из Лондона в Нью-Йорк нужны всего две сотые доли секунды[166].

После того как в XIX веке Майкл Фарадей и Томас Эдисон изобрели способы эффективной генерации электричества, телеграф стал популярным и практичным способом передачи информации. Но и у него были недостатки. Да, теперь вместо света для передачи сообщений стало использоваться электричество. Телеграф соединил разные страны, но отправка сообщений по нему требовала много времени – не в последнюю очередь потому, что слова приходилось переводить в специальные символы, азбуку Морзе. Сообщения передавались медленно, чтобы не возникало путаницы с точками и тире, которые их отображали[167]. Телефон частично улучшил ситуацию, но звонить на дальние расстояния по-прежнему было сложно. Каждый разговор должен был проходить через оператора, который постоянно переключал (коммутировал) провода на специальной панели.

Один из пионеров телефонии Александр Белл интуитивно понимал, что его знаменитое изобретение неудобно для связи на большие расстояния. Звуковые сигналы, преобразованные в электрические, шли по проводам, и связь была возможна только между соединенными между собой в определенных географических точках абонентами. В 1880 году, через четыре года после получения патента на телефон, Белл набросал схему прототипа «фотофона», который должен был посылать звук и изображение не по электропроводам, а по воздуху в форме световых волн. Это был первый шаг к мобильной телефонии. Если бы Беллу удалось развить свою идею, чопорные викторианцы в вагонах своих поездов могли бы развлекать друг друга болтовней по прототипам мобильников, как современные люди.

 

 

Викторианский мобильный телефон

Вспоминаете телефон, и сразу на ум приходит фамилия Белла? Уроженец Шотландии Александр Белл считается изобретателем одного из самых распространенных устройств в мире. Но много лет не умолкают споры о том, кто на самом деле был первым. Американец Элиша Грей запатентовал подобное устройство в тот же день, но на четыре года раньше, в 1876 году, еще один изобретатель – итальянец Антонио Меуччи – начал работать над примитивным вариантом мобильного телефона в 1849 году, за 30 лет до Белла[168]. У Белла больше прав претендовать на славу создателя современного телефона, от которого мы сильно зависим, – мобильного (сотового), который посылает и получает сигналы с помощью не сотен и тысяч километров проводов, а невидимых радиоволн.

Понимая недостатки «привязанного к земле» телефона, Белл и его помощник Чарльз Тэйтнер через четыре года вышли с идеей фотофона. Основной принцип действия был прост: голос говорящего направлялся в большой раструб, который заставлял вибрировать связанную с ним дифракционную решетку. Луч света, пропускаемый через нее, мерцал в соответствии с колебаниями человеческого голоса и направлялся на приемное устройство другого аппарата, которое производило с лучом обратную операцию, преобразуя его в звуковые волны. В ходе экспериментов Белл и Тэйтнер успешно использовали луч света для передачи звуков на расстояние более 200 м[169].

Белл считал фотофон своим лучшим изобретением, даже лучшим, чем обычный телефон. Но этому изобретению не суждено было получить широкую славу. На Земле, где много солнечного света и других электромагнитных волн, специальные лучи трудно было бы направлять на дальнее расстояние без ущерба или потери сигнала, который они несли. Однако гений Белла предвосхитил не только мобильные телефоны (которые действуют по тому же принципу, но используют радиоволны), но и оптоволоконные кабели. В последних распространяются лазерные лучи инфракрасного диапазона, переносящие огромный объем цифровых сигналов, отображающих звуковую и машинную информацию, через стеклянные (кварцевые) или пластиковые пучки «волокон» толщиной не больше человеческого волоса, обеспечивая минимальные искажения сигнала и высокую скорость передачи.

 

 

Судьба радио

 

Большинство современных средств связи – спутниковая навигация, мобильные телефоны, телевидение, мобильный интернет – получили путевку в жизнь в работах Генриха Герца, отца радио. Итальянский шоумен-предприниматель Гульельмо Маркони обычно считается изобретателем радио[170], но на самом деле он был всего лишь его популяризатором. И он мог лишиться даже этого звания. Когда он уехал из Италии в 1896 году в мировое турне для демонстрации своих прототипов радио, помимо других высокопоставленных лиц, и директору почтового ведомства Великобритании, на границе его остановили таможенники, заподозрив, что таинственное оборудование, которое вез Маркони, – на самом деле сложная бомба.

Теория радиосвязи появилась на свет благодаря веселому шотландскому физику Джеймсу Максвеллу. Связав электричество и магнетизм четырьмя простыми уравнениями, он в 1873 году создал первую общую теорию электромагнетизма. Суть в том, что электричество и магнетизм – не разные вещи, как тогда учили в школе, а две стороны одной медали (одно не может существовать без другого). Герц расширил эту теорию и через 14 лет осуществил первую в истории передачу радиоволн. Как мы видели в предыдущей главе, радиоволны – только разновидность света. У них больше длина волны (расстояние между двумя пиками) и, следовательно, меньше частота (количество колебаний в секунду). Но в остальном радиоволны и световые волны практически ничем не отличаются. Герц доказал это в потрескивающей и шипящей лаборатории в Германии в том же году, в котором два американских физика, Альберт Майкельсон и Эдвард Морли, окончательно похоронили идею об эфире как повсеместно присутствующей субстанции. Родилось радио.

Как ловко продемонстрировал Маркони, радиоволны прекрасно переносили звуки на расстояния. Когда другие изобретатели придумали, как с их помощью переносить изображение, родилось телевидение. Молодой фермер Фило Фарнсуорт, американский «собрат» Джона Бэрда[171], придумал способ создания телевизионной картинки (путем электронного сканирования параллельных линий) во время вспашки одного из полей своего отца[172]. Не будучи никогда признанным как создатель телевидения, Фарнсуорт почил на диване в гостиной – он был нищим алкоголиком[173].

Но использование радиоволн не ограничилось телевидением. Широкое применение нашло их свойство отражаться от объектов, обнаруживая их и определяя расстояние до них и скорость движения объектов. Так родился радар. Сейчас радиоволны передаются на спутники и обратно на Землю, чтобы переносить телефонные и телевизионные сигналы, а также сигналы интернета в разные уголки Земли буквально за доли секунды. За исключением оптоволоконных систем связи, использующих лазерное излучение, почти все магистральные (передающие на большие расстояния) системы передачи используют сегодня радиоволны. Но как они работают? Как албанский певец проникает в ваш телевизор за долю секунды, используя всего лишь колебания в пространстве?