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

Представьте, что вы смотрите с высоты на большой оживленный город. Человек, идущий по улице, вынимает из кармана мобильный телефон, набирает номер и прикладывает телефон к уху. Теперь напрягите воображение и представьте, что радиоволны разной длины окрашены в разные цвета. От мобильного телефона этого человека в разные стороны расходятся концентрическими кругами волны зеленого цвета, причем в непосредственной близости от телефона они выглядят очень яркими и мощными, а по мере удаления тускнеют и слабеют. На расстоянии примерно 100 метров расположена базовая станция мобильной связи, которая обнаруживает эти зеленые волны и расшифровывает сообщение, определяя номер абонента, которому звонит этот человек. Затем базовая станция отправляет собственный сигнал обратно на мобильный телефон этого человека; волны обратного сигнала тоже зеленого цвета, однако он несколько отличается от исходного. В этом и заключается первая «маленькая хитрость» современных систем связи. В то время как «Титаник» мог посылать только сигнал, представляющий собой сочетание множества разных длин волн, современная технология с высочайшей точностью выбирает длины волн для передачи и приема сигналов. Длина волны исходного сигнала, передаваемого мобильным телефоном, равнялась 34,067 сантиметра, а длина волны сигнала, переданного базовой станцией обратно на мобильный телефон, – 34,059 сантиметра. Мобильный телефон и базовая станция могут общаться по каналам с длинами волн, различающимися лишь на ничтожную долю процента. Для нас цвета этих двух сигналов практически неразличимы: тот и другой кажутся зелеными. Но, подобно красным и синим чернилам на листе белой бумаги в моем блокноте, эти волны имеют разную длину и не смешиваются друг с другом. Когда человек идет по улице, зеленые волны, исходящие из его телефона, несут в себе определенную картину – сообщение, которое он хочет передать по мобильной связи. Женщина, идущая по той же улице, также разговаривает по телефону, но он использует несколько другую длину волны (разница между ними, опять-таки, составляет ничтожную долю процента). И базовая станция в состоянии отличить эти сигналы. Именно поэтому государство продает полосу частот как их определенный диапазон: если ваш оператор мобильной связи использует этот диапазон, то вы можете улавливать даже самые ничтожные различия между каналами – если, конечно, оборудование мобильной связи способно их сформировать. Итак, глядя на этот район города, мы видим множество ярких точек. Это мобильные телефоны, которые отправляют сигналы. Эти сигналы отражаются от зданий и поглощаются окружающими объектами, но в основном, прежде чем полностью ослабеть, все же достигают базовой станции.

Когда человек, за которым мы наблюдаем, удаляется от базовой станции, мы начинаем замечать новые цвета. Улицы, открывающиеся перед ним, полны красных «радиопятен», причем все они концентрируются возле следующей базовой станции, рассылающей множество оттенков красного на телефоны, группирующиеся возле нее. Когда затухнет сильный зеленый сигнал с первой базовой станции, телефон нашего подопечного обнаружит новые частоты и начнет взаимодействовать с новой базовой станцией. Человек может даже не подозревать о том, что достиг границы «зеленого» участка, но как только он пересечет ее, его телефон переключится на новую длину волны, чтобы отправлять теперь на новую базовую станцию оттенки красного цвета. Они не улавливаются первой («зеленой») базовой станцией, а ретранслируются второй («красной»). Продолжая идти по улицам, человек может заходить на участки, где радиоволны имеют желтый или синий цвет, если придерживаться предложенного мною сопоставления каждой длины волны определенному цвету. На соседних участках не могут использоваться волны одного и того же цвета, но если наш герой забредет достаточно далеко, то вполне может оказаться еще на одном «зеленом» участке. В этом заключается еще одна уловка систем мобильной связи. Выбрав достаточно низкий уровень ее сигнала, мы можем быть уверены, что эти сигналы будут достигать лишь ближайшей базовой станции. Это означает, что на достаточном удалении от исходной «зеленой» базовой станции мы можем разместить еще одну «зеленую» базовую станцию, не рискуя тем, что они будут создавать помехи друг другу. Информация стекается в центр и растекается из центра каждой такой ячейки, или «соты»[55] (выше мы называли эти «соты» участками), но не смешивается с информацией, циркулирующей в других «сотах». То обстоятельство, что по сотовой связи одновременно разговаривает множество людей, не имеет значения, поскольку все они пользуются радиоволнами разной (хотя и различающейся на ничтожную величину) длины. А применяемая в наши дни технология позволяет разделять все эти разговоры за счет чрезвычайно точной настройки приемных устройств. Если ваш мобильный телефон отправляет сигналы на длине волны, которая отличается от требуемой хотя бы на ничтожную долю процента, ваше сообщение никогда не попадет к адресату. Но эта невероятная точность современной технологии связи означает, что отличить одну волну от другой можно даже в случае, если они разнятся на ничтожную долю процента.

И в такой невероятной толчее разнородных волн нам приходится находиться ежедневно! Мимо головы каждого из нас проносятся взаимно перекрывающиеся концентрические круги электромагнитных волн, излучаемых мобильными телефонами, системами Wi-Fi, радиостанциями, Солнцем, нагревателями, пультами дистанционного управления и множеством других устройств – источников электромагнитного излучения. И это только световые волны, а ведь есть еще и звуковые: глухие раскаты, раздающиеся из недр Земли, джазовая музыка, собачий лай и ультразвук, используемый для очистки инструментов в местной стоматологической поликлинике. А еще есть рябь в чашке чая, на который вы дуете, пытаясь слегка остудить, океанские волны и вздыбливание земной поверхности в результате землетрясений, время от времени возникающих в разных уголках планеты. Этот перечень разновидностей волн можно продолжать. Волны естественного происхождения дополняются многочисленными искусственными волнами, используемыми человеком для разнообразных целей, в том числе и связи. Но все эти разнотипные волны подчиняются одним и тем же базовым физическим законам. Каждая волна, какова бы ни была ее физическая природа, характеризуется определенной длиной. Все волны могут отражаться, преломляться и поглощаться. Если вы знаете базовые физические законы, которым подчиняются волны, если понимаете, что волны переносят энергию и информацию, но не переносят саму среду, в которой распространяются, значит, получаете возможность управлять одним из самых эффективных инструментов нашей цивилизации.

В 2002 году я работала в Новой Зеландии в одном из центров верхового туризма, расположенном вблизи Крайстчерча. Однажды вечером раздался телефонный звонок, и, к моему удивлению, он адресовался мне. Поскольку звонок был принят на беспроводной телефонный аппарат, я сняла трубку, вышла с ней из дома и уселась на склоне холма. Звонила Нана. Ей захотелось поговорить со мной (к тому моменту прошло уже около шести месяцев, как я уехала из Великобритании и за все это время ни разу не общалась со своей семьей), она набрала нужный номер – и вот я уже разговариваю с ней. Когда она со своим характерным ланкаширским акцентом начала расспрашивать меня о еде, лошадях и работе, я внезапно осознала всю необычность – и даже фантастичность – ситуации. Я нахожусь на другом конце гигантской планеты, так далеко от своей семьи, насколько это вообще возможно, если, конечно, не выходить в открытый космос (расстояние по прямой между нами составляло 12 742 километра, а с учетом кривизны земной поверхности – все 20 000 километров), и тем не менее слышу голос Наны так, словно она стоит на расстоянии вытянутой руки. Не могу передать ту гамму чувств, которую испытывала в течение всех десяти минут разговора. В наши дни все земляне ощущают свою принадлежность к единой человеческой цивилизации благодаря невидимым волнам, позволяющим людям, проживающим в самых отдаленных уголках планеты, общаться. Колоссальное и почти невероятное достижение человеческой мысли! Работа изобретателей-энтузиастов, таких как Маркони и Попов, и даже гибель «Титаника» указали путь к сегодняшнему миру, в котором возможность общения между людьми, находящимися на огромных расстояниях друг от друга, воспринимается как нечто само собой разумеющееся. Я благодарна судьбе за то, что родилась достаточно рано, чтобы испытывать неподдельное восхищение, которого заслуживает это достижение. Наши глаза не в состоянии обнаружить волны, а оценить невидимое всегда нелегко. Но когда в следующий раз будете звонить по мобильному телефону, задумайтесь над этим. Вообще говоря, волна – очень простое физическое явление. И если вы поймете принципы и механизмы ее использования в повседневной жизни, то мир, в котором вы живете, станет еще ближе и понятнее.