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

Однако мир звуков под водой гораздо разнообразнее мира зрительных образов. Дельфины используют звуки очень высоких частот, порой в десять раз превышающих порог слышимости человеческого уха. Столь короткая длина звуковых волн, издаваемых дельфинами, означает, что их механизм эхолокации позволяет до мельчайших подробностей распознавать форму объектов, находящихся перед дельфином. Однако издаваемые дельфином высокочастотные звуки распространяются лишь на сравнительно короткие расстояния, поэтому звуковой фон, создаваемый группой дельфинов, не слышен у берегов залива. Впрочем, поверх этого звукового фона накладываются другие звуки, с более высокой «дальнобойностью». В частности, глухое жужжание двигателя далекого морского судна, позвякивание пузырьков, возникающих в результате всплесков на поверхности воды, тихое потрескивание, издаваемое креветками, и внезапно – глухой гул, напоминающий стон, настолько низкий, что дельфины не слышат его. Стон повторяется. В десятке километров отсюда подает сигналы голубой кит, и эти звуки распространяются по заливу на большие расстояния. Кит не пользуется эхолокацией, поэтому обходится без высокочастотных звуков. Главное для кита – чтобы издаваемые им звуки были слышны как можно дальше, а для этой цели подходят низкочастотные звуки, то есть звуковые волны большой длины. Такие волны могут преодолевать огромные расстояния, а гладким (или, как их еще называют, настоящим) китам – среди прочих к их числу относятся голубые киты, финвалы (полосатики) и малые полосатики – приходится общаться друг с другом на огромных расстояниях. Киты не слышат щелканья дельфинов, а дельфины не слышат грустных стонов китов. Впрочем, в воде распространяются любые звуки и несут в себе огромный поток информации для всех обитателей морских глубин, каждый вид которых настраивается на подходящую для себя звуковую частоту.

Следовательно, океан также представляет собой среду распространения световых и звуковых волн, однако в нем это происходит совсем не так, как в воздухе. Океанские глубины – идеальная среда для распространения звуковых волн, а что касается света, то киты и дельфины не различают цветов, поскольку такие тонкости световых волн не имеют для них никакого значения.

Однако между атмосферой и океаном есть определенное сходство. Точно так же как самые длинные звуковые волны передаются под водой на самые дальние расстояния, самые длинные световые волны преодолевают самые дальние расстояния в атмосфере. Всего лишь каких-нибудь сто лет назад люди научились общаться через тысячи километров. Поскольку мы живем в воздушной среде, то для передачи информации на дальние расстояния пользуемся не звуковыми, а световыми волнами, которые называются радиоволнами. Самым важным применением этой технологии на раннем этапе развития была отправка информации через океаны. Если бы команда «Титаника» всерьез отнеслась к сообщениям, полученным с помощью новых систем связи, то это замечательное судно, возможно, не утонуло бы.

Сразу же после полуночи 15 апреля 1912 года импульсы радиоволн в виде концентрических кругов распространялись из нескольких мест в Северной Атлантике. Картины концентрических кругов возникали спорадически и прекращались, причем каждая затухала по мере распространения волны от своего источника. Некоторые из этих концентрических кругов-волн достигали других мест, из которых передавались подобные сигналы, и они ретранслировались дальше. Самые мощные волны исходили из места, находящегося в 600 километрах на юг от Ньюфаундленда в Канаде, где Джек Филлипс использовал один из наиболее мощных на то время морских радиопередатчиков, чтобы отправить в эфир сигналы бедствия. Гигантский океанский лайнер «Титаник», крупнейший в мире корабль, шел ко дну. Джек Филлипс, находясь в верхней части судна, на шлюпочной палубе, отправлял короткие электрические импульсы на антенну, протянутую между двумя дымовыми трубами. Электрические колебания в антенне преобразовывались в радиоволны, рассылаемые в разные стороны с корабля, а радиооператоры на других судах расшифровывали сообщения, поступающие из эфира на антенны их приемников.

Такого типа радиосвязь работает лишь потому, что радиоволны с радиопередающей антенны распространяются во все стороны, а не в каком-то определенном направлении. Радиооператору, транслирующему сообщение, не нужно знать точное местоположение человека, который его примет, – одни и те же радиоволны могут принимать многие люди, находящиеся в разных местах. Радиоимпульсы, посылаемые «Титаником», могли уловить радиооператоры на «Карпатии», «Балтике», «Олимпике» и нескольких других судах, находящихся в нескольких сотнях километров от «Титаника». Хотя передаваемая информация могла быть крайне лаконичной, а радиопередающие и радиоприемные устройства весьма несовершенными, впервые в истории человечества появилась возможность вести переговоры через океан. Изобретение радиосвязи радикально повлияло на судовождение. Двадцатью годами ранее «Титаник» исчез бы под волнами в полном одиночестве и о его пропаже в лучшем случае узнали бы через неделю. Первый трансатлантический радиосигнал был передан за десять лет до крушения «Титаника». Но в ту роковую ночь посредством радиоволн, расходившихся концентрическими кругами в темноте, суда, находившиеся сравнительно недалеко от «Титаника», узнали о трагедии сразу же, как только она начала разворачиваться. Эти импульсы-стаккато не были случайностью. Концентрические круги радиоволн складывались в определенные картины, и каждая такая картина несла в себе определенное сообщение, отправленное определенным человеком и переданное на дальнее расстояние со скоростью света. Это ознаменовало собой настоящую революцию в области человеческих коммуникаций, переворот, возвестивший о подлинном начале эпохи радио.

Одна из причин, почему гибель «Титаника» приобрела мировую известность, – трагедия произошла на пороге нового века и продемонстрировала колоссальный потенциал радиоволн. («Карпатия» прибыла к месту крушения «Титаника» через два часа после того, как он затонул. И это помогло спасти многие жизни.) Но она также показала, что радиосвязь того времени была слишком несовершенна, чтобы из нее можно было извлечь максимум пользы. Скорость передачи сообщений была низкой, и некоторые из предупреждений об айсбергах, принятые на «Титанике», попросту затерялись в потоке тривиальных и малозначащих уведомлений. Немаловажно и то, что использование примитивных импульсов волн для передачи сообщений означало, что одни сигналы можно было легко перепутать с другими. Кто передает сообщение и кто его принимает? Оно могло быть принято частично или с искажениями и в итоге неправильно истолковано. Чтобы использовать радиоволны для передачи информации, нужно каким-то образом их изменять, чтобы приемник мог воспринимать картину этих изменений. Но радиопередающие и радиоприемные системы того времени работали по принципу «включено/выключено»: либо испускание радиоволн, либо их отсутствие. Существовал всего один канал радиопередачи, и им пользовались все потенциальные участники радиосвязи.

Радиоволны были не единственными волнами, которые носились в ту ночь над океаном. «Титаник» передавал сигналы бедствия, а судно «Калифорниэн», находившееся неподалеку, пыталось обмениваться с ним информацией с помощью ратьера, посылая на «Титаник» вспышки видимого света. Но «дальнобойность» радиоволн гораздо выше, что объясняется одной важной особенностью земной атмосферы. Верхний атмосферный слой (ионосфера) ведет себя по отношению к радиоволнам как частично отражающее их зеркало. Поэтому радиосигналы с «Титаника» не просто расходились в разные стороны над поверхностью океана: они посылались в атмосферу, а затем отражались вниз. Именно поэтому радиоволны способны преодолевать огромные расстояния над океаном, хотя из-за кривизны Земли на достаточно большом удалении отправитель и получатель радиосигнала не находятся в зоне прямой видимости (то есть их нельзя соединить воображаемой прямой линией). Отраженные радиоволны могут обогнуть планету: многочисленные отражения помогают им огибать изогнутую поверхность. Для видимого света подобного «зеркала» в атмосфере нет.