Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас

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.

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.