Приключения радиолуча

В. Родиков

ПРИКЛЮЧЕНИЯ РАДИОЛУЧА

ПРОГНОЗ ПОЭТА

Незадолго до первой мировой войны в США провели анкетирование о современных «чудесах мира», и на одном из первых мест оказалось радио. Уже в пору младенчества к нему пришло признание. Возможность мгновенно передавать и принимать известия без проводов поражала воображение.

История полна парадоксов. Такие известные специалисты, как Маркони и изобретатель триода Ли де Форест, поначалу считали радиовещание никчемным делом, зато поэт-будетлянин Велимир Хлебников увидел в нем огромные перспективы. В 1921 году он, работая ночным сторожем Дома печати в Пятигорске, часто посещал радиостанцию, живо интересовался техникой этого дела. Удивителен прогноз, который он сделал в тот год.

«Радио будущего — главное дерево сознания — откроет ведение бесконечных задач и объединит человечество.

Около главного стана Радио, этого железного замка, где тучи проводов рассыпались, точно волосы, наверное, будет начертана пара костей, череп и знакомая надпись: «Осторожно», ибо малейшая остановка работы Радио вызвала бы духовный обморок всей страны, временную утрату ее сознания.

Радио становится духовным солнцем страны, великим чародеем и чарователем.

Вообразим себе главный стан Радио: в воздухе паутина путей, туча молний, то погасающих, то зажигающихся вновь, переносящихся с одного конца здания на другой. Синий шар круглой молнии, висящей в воздухе, точно пугливая птица, косо протянутые снасти. Из этой точки земного шара ежесуточно, похожие на весенний пролет птиц, разносятся стаи вестей из жизни духа.

В этом потоке молнийных птиц дух будет преобладать над силой, добрый совет над угрозой…

Советы из простого обихода будут чередоваться со статьями граждан снеговых вершин человеческого духа. Вершины волн научного моря разносятся по всей стране к местным станам Радио, чтобы в тот же день стать буквами на темных полотнах огромных книг, ростом выше домов, выросших на площадях деревень, медленно переворачивающих свои страницы…

Радио решило задачу, которую не решил храм как таковой, и сделалось так же необходимым каждому селу, как теперь училище или читальня…

Задача приобщения к единой душе человечества, к единой ежесуточной духовной волне, проносящейся над страной каждый день, волне, орошающей страну дождем научных и художественных новостей, — эта задача решена Радио с помощью молнии…

Железный рот самогласа пойманную и переданную ему зыбь молнии превратил в громкую разговорную речь, в пение и человеческое слово.

Все село собралось слушать.

Из уст железной трубы громко несутся новости дня, дела власти, вести о погоде, новости из бурной жизни столиц…

Но что это? Откуда этот поток, это наводнение всей страны неземным пением?..

На каждую сельскую площадь страны льются эти голоса, этот серебряный ливень. Дивные серебряные бубенчики вместе со свистом хлынули сверху. Может быть, небесные звуки — духи — низко пролетели над хаткой? Нет…

Мусоргский будущего дает всенародный вечер своего творчества, опираясь на приборы Радио, в пространном помещении от Владивостока до Балтики, под голубыми стенами неба…

Почему около громадных огненных полотен Радио, что встали как книги великанов, толпятся сегодня люди отдаленной деревни? Это Радио разослало по своим приборам цветные тени, чтобы сделать всю страну и каждую деревню причастницей выставки художественных холстов далекой столицы. Если раньше Радио было мировым слухом, теперь оно глаза, для которых нет расстояния. Главный маяк Радио послал свои лучи, и Московская выставка холстов лучших художников расцвела на страницах книг читален каждой деревни огромной страны, посетив каждую населенную точку…

И вот научились передавать вкусовые ощущения — к простому, грубому, хотя и здоровому, обеду Радио бросит лучами вкусовой сон, призрак совершенно других вкусовых ощущений… Сытный и простой обед оденет личину роскошного пира… Это даст Радио еще большую власть над сознанием страны…

Даже запахи будут в будущем покорны воле Радио, глубокой зимой медовый запах липы, смешанный с запахом снега, будет настоящим подарком Радио стране.

Современные врачи лечат внушением на расстоянии по проволоке. Радио будущего сумеет выступать и в качестве врача, исцеляющего без лекарства.

И далее:

Известно, что некоторые звуки, как «ля» и «си», подымают мышечную способность, иногда в шестьдесят четыре раза, сгущая ее на некоторый промежуток времени. В дни обострения труда, летней страды, постройки больших зданий эти звуки будут рассылаться Радио по всей стране, на много раз подымая ее силу.

И наконец — в руки Радио переходит постановка народного образования. Верховный совет наук будет рассылать уроки и чтение для всех училищ страны — как высших, так и низших.

Учитель будет только спутником во время этих чтений. Ежедневные перелеты уроков и учебников по небу в сельские училища страны, объединение ее сознания в единой воле.

Так радио скует непрерывные звенья мировой души и сольет человечество».

Часть предсказаний поэта стала уже реальностью, воплощение других, возможно, — дело времени. Перед нами еще один пример того, что фантасты в своих мечтах оказываются подчас прозорливее специалистов. Правда, молнии, о которых писал Велимир, иными словами, искровые передатчики, канули в Лету, а его задумки удалось осуществить с помощью ламповых передатчиков, но это, как говорят, уже детали.

Хлебников мечтал о некоем информационном поле, которое охватит страну, затем и всю планету. И такое поле создано и продолжает развиваться и расширяться. В современном мире радиовещание и телевидение стали главными поставщиками оперативной массовой информации населению. Всего на планете насчитывается около 400 миллионов телевизоров и более миллиарда радиоприемников. По данным на 1982 год, передачи Центрального телевидения и Всесоюзного радио принимали 238 миллионов телевизоров, радиоприемников и трансляционных точек. Наша страна занимает ведущее место в мире по суммарной мощности радиостанций.

«Прямым опытом доказано, — писал академик Аксель Иванович Берг, внесший большой вклад в развитие отечественной радиотехники и кибернетики, — что человек может нормально мыслить длительное время только при условии непрекращающегося информационного общения с внешним миром. Полная информационная изоляция от внешнего мира — начало безумия. Информационная стимулирующая мышление связь с внешним миром так же необходима, как пища и тепло, мало того — как наличие энергетических полей, в которых происходит вся жизнедеятельность людей на планете».

Показательный случай произошел в войну. Из-за артобстрела нарушилась работа радиосети Ленинграда. «Это был самый страшный день», — говорили люди, жившие в нечеловеческих условиях блокады. «Без хлеба, без воды, без света трудно, но переживем, — заявили рабочие завода «Большевик», — но без радио жить немыслимо, невозможно». И это понятно, истощенные от голода люди ждали сводок с фронтов, где решалась судьба Отечества.

Двадцатый век с полным основанием называли веком радио. Если поинтересоваться в кратком энциклопедическом словаре, что означает РАДИО, то можно увидеть: «часть сложных слов, указывающих на их отношение к радио или радиоактивности». Список тех слов, которые имеют отношение к радио, то есть к тому, где так или иначе используются радиоволны, даже в кратком словаре довольно обширен: радиоастрономия, радиоастрометрия, радиобуй, радиовещание, радиовидение, радиоволновод, радиоволны, радиотехнические войска, радиофизика, радиофикация, радиоцентр, радиочастотный кабель, радиочастоты, радиоэлектроника…

И этими терминами, а их в словаре более полусотни, далеко не исчерпан круг устройств, систем и даже областей науки и техники, где используются или предполагается использовать радиоволны. Радио быстро «сделало карьеру». Все, что связывается с этой частью сложного слова, зародилось и развивалось на глазах двух-трех поколений. Таково свойство нашего века НТР: сроки от появления научной идеи до ее массового внедрения неуклонно сокращаются. Обратимся к конкретным примерам. Практическое использование принципа, на котором основана фотография, началось более чем через столетие после его появления. В области телефонной связи для внедрения в производство лабораторных установок потребовалось свыше полувека, в области радио — 35 лет. Становление радиолокации длилось 15 лет, телевидения — 12, путь от идеи до практики для транзистора, интегральных схем и лазеров был равен пяти годам. В будущем темпы увеличатся.

Разительные перемены специалисты предсказывают в близкой нам всем области — связи. И обязаны эти революционные сдвиги использованию современных ЭВМ. Во всяком случае, конечная цель связи ясна: чтобы любой человек, где бы он ни находился, без задержки установил контакт с любым интересующим его лицом.

По прогнозу ученых, к концу нынешнего века обычный телефонный аппарат станет единственным оконечным устройством ЭВМ. Текст и изображение будут воспроизводиться на экране, подключенном к телефону, а дополнительная информация — передаваться в виде речи, синтезированной электронным способом. Автомобиль будет оснащен не только телефоном, но и навигационной системой, позволяющей с помощью спутников определять с высокой точностью свое местоположение и разрабатывать оптимальный маршрут следования к месту назначения. Голография, базирующаяся на использовании лазерной техники, в сочетании с ЭВМ позволит создавать телевизионные изображения, мало отличающиеся от реальности. Автоматические электронные переводчики будут в считанные минуты переводить текст с одного языка на другие.

Пройдет время, и телефоны будут повсюду — в автомобилях, самолетных креслах, в общественном транспорте и даже в кармане пиджака. Каждый человек сможет иметь по желанию определенный телефонный номер на протяжении всей своей жизни. Это позволит связаться с ним в любое время независимо от местонахождения. Подобная сеть предоставит абоненту большой объем услуг, откроет доступ к самой разнообразной специализированной информации, и даже с помощью печатающего устройства отпечатает абоненту свежий номер газеты или журнала.

Еще одной технической новинкой, стоящей на пороге внедрения, является так называемая клеточная радиосвязь — новый вид телефона для транспорта. Автомобильные телефоны, конечно, не новинка: они известны уже много лет. Но связь с их помощью производится лишь со строго лимитированным числом абонентов. В системе же клеточной связи есть ЭВМ, обеспечивающие более эффективное использование радиочастот. Появляется возможность создания тысяч новых радиотелефонных линий.

В такой системе город разбивается на квадраты-клетки. Компьютеры следят за каждым телефонным разговором и по мере передвижения автомобиля из одной клетки в другую переводят разговор с одного маломощного передатчика на другой, исключая всякие перебои в связи. Клеточные телефоны обеспечивают большую секретность переговоров по сравнению с обычной радиотелефонной связью. Вызов не требует ожидания, неизбежного, когда связь обеспечивается оператором.

Достижима ли цель: каждому — телефонный аппарат? Чтобы ответить на этот вопрос, приведу интересную статистику по темпам телефонизации планеты из книги Д. Л. Шарле «По всему земному шару» (М., «Радио и связь», 1985). На установку первых ста миллионов телефонов человечеству понадобилось целых 80 лет (1876—1956), а на вторую сотню — всего десять лет (1956—1966). Последующие сотни миллионов телефонных аппаратов были установлены соответственно за 6 лет, 4,5 года, 4 и 3 года. Народонаселение нашей планеты удваивается в XX веке примерно за 40 лет, а число телефонов — за 10—11 лет. Ежегодный прирост населения составляет во второй половине столетия около двух процентов (в последние годы снизился до 1,7 — 1,6), а количество телефонов — в среднем шесть процентов.

В сутки население Земли увеличивается на 220 тысяч человек, а количество телефонов примерно на 100 тысяч. К началу 1985 года население Земли достигло примерно 4,8 миллиарда человек, количество установленных телефонов — 630—640 миллионов. Следовательно, телефонная плотность, то есть число телефонов на 1000 жителей, равнялась в то время 13,2.

Демографы полагают, что в 1990 году на Земле будет 5,2—5,3 миллиарда людей, а к 2000 году — 6,1— 6,2 миллиарда. Исходя из неизменности шестипроцентного ежегодного прироста телефонов, можно рассчитать, что число телефонов в мире достигнет к 1990 году 850 миллионов, а к началу XXI века 1,5—1,6 миллиарда. Значит, за ближайшие 15 лет на Земле будет установлено в 1,5 раза больше телефонов, чем за предыдущие ПО лет, а телефонная плотность возрастет почти вдвое.

Как видим, поголовная телефонизация не так уж и фантастична.

Это лишь несколько примеров из близкой нам всем связи, но разительные перемены грядут во всех областях, где так или иначе используется радиотехника.

Уже сегодня благодаря микроминиатюризации аппаратуры во много раз увеличилось время приема радио- и телепередач. Возможности техники таковы, что телевизоры размещают в корпусе обыкновенных наручных часов, а одна западная фирма для любителей «непрерывной» музыки выпустила радиошарф. Он связан из эластичного полиуретанового волокна, и в него вмонтированы плоский радиоприемник с антенной и стереозвуковая система. Обвитый вокруг шеи радиошарф обеспечивает владельцу неплохое стереозвучание. Музыкальный шарф можно стирать обычным мылом, и это не отразится на качестве работы радиоустройства.

Правда, все хорошо в меру. Музыку слушают не только уши, на нее отзываются сердце, кровеносные сосуды, есть «музыкальный слух» даже у желудка. Недаром язва стала профессиональным заболеванием эстрадных музыкантов. Но звуком можно и исцелять. В Древнем Египте, например, бессонницу лечили… хоровым пением.

В ряде стран все чаще можно увидеть людей в наушниках. Прохожие, велосипедисты, бегуны трусцой, попутчики в метро и автобусе… Они какие-то тихие, словно живущие в ином, собственном мире. Глядя на них, невольно думаешь, что они как-то ненормально привязаны к своим мини-магнитофонам. Похоже, это действительно так. А между прочим, последние исследования, проведенные специалистами по слуху, показывают, что постоянно звучащая в наушниках музыка, особенно громкая — пристрастие, разрушающее здоровье. Воздействие сильного звука ведет к значительному снижению слуха и в то же время вызывает опасное привыкание с теми же последствиями, что и при курении, употреблении алкоголя и наркотиков.

Известно, звук воздействует на мозг посредством слухового нерва. И неважно, какую музыку крутит магнитофон — Бетховена или рок. Наушники располагают источник звука слишком близко. Особенно опасны мини-динамики, вставляемые прямо в ухо: они разрушают непосредственно слуховой нерв. Человек становится невосприимчивым к обычному уровню шума, зато громкий звук вызывает эйфорию, потребность в которой возрастает. Исследования английских специалистов показывают, что люди, слушающие громкую музыку, не только привыкают к ней, но и ощущают тягу к более сильному эффекту. А если ухо постоянно подвергается воздействию звука, уровень которого более 105 децибелов (что соответствует максимальному звучанию портативных мини-магнитофонов), то происходят необратимые изменения на клеточном уровне во внутреннем ухе, и в ряде случаев человек глохнет. Воздействие же на психику еще более разрушительно. После такой информации невольно вспоминается шуточное высказывание известного сатирика Ильи Ильфа: «В фантастических романах главное это было радио. При нем ожидалось счастье человечества. Вот радио есть, а счастья нет…»

Избыток радио- и телеинформации принесет скорее вред, чем пользу. А ее шум может заглушить шелест книжных страниц, без общения с которыми вряд ли можно ощущать себя духовно полноценным человеком. Кроме того, долгое пребывание у телевизионного экрана само по себе небезвредно. В развитых странах уже заговорили о поколении облученных телевизором детей, да и безобидные на первый взгляд для здоровья электронные игры на телеэкране в больших дозах приводят к опасным последствиям. Как показало исследование, проведенное в одном из университетов, у 50 процентов японских детей, играющих каждый день, отмечены нарушения психики. Они становятся чрезмерно раздражительными, не слушаются родителей и учителей, порой впадают в полнейшую апатию. Пагубное влияние на поведение детей оказывает и тематика игр, в которой преобладают гангстеризм, войны с космическими пришельцами.

Бьют тревогу и родительские комитеты швейцарских школ: каждый ученик проводит перед экраном телевизора по крайней мере два или три часа в день. Такое положение, по мнению психологов, дальше терпеть невозможно. К ним присоединяются врачи, которые говорят о том, что пассивное сидение перед телевизором заметно снижает двигательные способности растущего организма молодых людей, а также их творческую активность. Что же предлагают специалисты родителям? Прежде всего стараться почаще приглашать к себе домой друзей вашего сына или дочери, переместить телевизор на кухню и сделать так, чтобы дети не могли сами включать его. Если придерживаться некоторых из данных правил, то, по мнению экспертов, вы даруете своему ребенку от шести до восьми лет жизни.

Именно по этому поводу была пущена за рубежом такая шутка: «Радио и телевидение — прекрасные изобретения: одно движение руки, и… ничего не слышно и не видно».

Но бывает довольно непросто выключить радио. Например, таиландские студенты при поступлении в университет вместо обычных шпаргалок пользовались миниатюрными рациями. Администрации пришлось вызвать специальную установку для глушения «радиоконсультаций».

Журналисты-газетчики тоже не упускают случая поиронизировать над своими конкурентами — «электронными» коллегами. Однажды солидный западногерманский еженедельник, начав с серьезного утверждения о том, что «ТВ — чудо XX века, поистине величайшее изобретение», завершил свою короткую, броско поданную заметку так: «Телевидение действительно замечательная вещь. От ТВ не только за какие-нибудь час-полтора просмотра получаешь жестокую головную боль, но и узнаешь из рекламы, какие таблетки ее лучше всего снимают».

Вопрос о дозе радиации, поступающей от телевизора, был тщательно исследован. Интенсивность слабого вторичного излучения экрана, возникающая из-за его бомбардировки электронным пучком, зависит от высоковольтного напряжения на кинескопе. Как правило, в черно-белых телевизорах используется напряжение 15 киловольт, и на поверхности экрана доза радиации составляет 0,5—1 миллирад в час.

В наш атомный век все мы более или менее знакомы с дозами радиации. Напомню, что рад — единица поглощенной дозы для любого вида ионизирующих излучений. Термин «рад» возник из сокращения английских слов radiation absorbed dose, что в дословном переводе означает: радиационная поглощенная доза. Представление о величине этой единицы дает следующее сравнение: чтобы нагреть грамм воды на один градус, нужна энергия в 420 тысяч раз большая, чем рад. Как видим, единица эта довольно малая, но для измерения дозы облучения живых организмов она широко используется, прибегают даже к услугам в тысячу раз более мелкой единицы — миллирад.

После краткого экскурса вернемся к телевизионному экрану. Его мягкое излучение поглощается стеклянным или пластиковым покрытием трубки, и уже на расстоянии 5 сантиметров от экрана радиация практически не обнаруживается.

Цветные телевизоры работают при больших напряжениях. У приемников с большим экраном напряжение на втором аноде кинескопа — 20—27,5 киловольта. На расстоянии 5 сантиметров от экрана они дают радиацию от 0,5 до 150 миллирад в час. Напомню, что в среднем нормальную облученность человека от естественного радиоактивного фона считают равной примерно 100 миллирадам в год. Предположим, вы смотрите цветной телевизор три-четыре дня в неделю по три часа в день. В год получим от 1 до 80 рад (не миллирад, а рад!). Данная цифра уже значительно превосходит естественный фон излучения. В действительности получаемые дозы значительно меньше (Кузин А.М. Невидимые лучи вокруг нас. М., «Наука», 1980, с. 62—63). Чем больше расстояние до телевизора, тем меньше доза облучения — она уменьшается пропорционально квадрату расстояния, и уже в двух метрах от экрана годовая доза радиации ниже той ежегодной нормы, которой оделяет нас окружающая природа.

Как мы убедились, при соблюдении рекомендуемых правил радиация от цветных телевизоров не должна нас беспокоить. Кроме того, телевизионные приемники непрерывно совершенствуются, внешняя их радиация снижается, а в телевизорах будущего она вообще исчезнет.

Тем не менее, даже не учитывая этот фактор, все равно нужна мера. Недаром парламент Исландии принял специальное решение: по четвергам телевидение не работает! Вечер отдан семье и полезному досугу, чтобы у людей была возможность побыть вместе, спокойно побеседовать, почитать, поиграть в шахматы…

Во времена Хлебникова таких проблем не было, и они — совсем не обязательные издержки, а порождение неразумного отношения к одному из великих открытий цивилизации. Поэт мечтал, что радио соединит человечество. Да, по своей сути эфир международен — радиоволны могут беспрепятственно пересекать государственные границы, океаны и континенты. Благодаря телевидению мы становимся свидетелями событий, происходящих от нас на расстоянии многих тысяч километров.

Родилась телематика — симбиоз телевидения, космической связи и информатики. Примером телематики являются телемосты, приобретшие в последнее время особую популярность. Разделенные океанами люди видят, чувствуют, ощущают друг друга, словно между ними всего несколько шагов. Действительно, поверишь вдруг и в малость Земли, и в нерасторжимое единство человеческих судеб. Все мы — земляки и современники. Такие встречи — образец новой дипломатии без дипломатов. Участники встречи «по телемосту» как бы призывают в свидетели все человечество. По крайней мере значительную часть ее. «Наедине со всеми», как теперь принято говорить, глядя прямо в глаза далекому собеседнику, лукавить и кривить душой не приходится. Рождается доверие, которого так не хватает в нашем сложном мире.

В отличие от телевидения телематика позволяет вести активное обсуждение, проводить дискуссии между людьми, находящимися в данный момент в разных частях планеты. Со временем, когда средства телематики станут дешевы и доступны, она сделается одним из важнейших средств просветительства и массового распространения необходимых знаний.

Чем дальше стрела времени уносит нас вперед, тем любопытнее возвращаться к истокам. Не этим ли объясняется теперешнее повальное увлечение историей, в том числе и историей науки и техники. Где же корень современных радиоустройств? Как было положено начало обширному радиосемейству, заполнившему мир? Чтобы ответить на эти вопросы, полезно вспомнить о таком всеобщем физическом понятии, как волна, и ненадолго заглянуть в прошлое. Исторические экскурсы очень поучительны, потому что новое — обычно хорошо забытое старое. Пример тому — полупроводниковые приборы. Появившиеся в начале века, они через некоторое время были признаны малопригодными и оказались вытеснены электронными лампами, а спустя примерно лет сорок началось их победное, вплоть до наших дней, шествие.

Как говорил Козьма Прутков: «Отыщи всему начало, и ты многое поймешь».

ВОЛНЫ ВОКРУГ НАС

УРОКИ КОЗЬМЫ ПРУТКОВА

Слово «радио» латинского происхождения. В переводе оно означает «испускаю лучи». Смысловое значение довольно точно отражает суть: радио имеет дело с выпущенными на волю радиоволнами. Они в зависимости от типа испускающих их антенн могут быть собраны в луч, а могут разбегаться во все стороны. Именно радиоволны явились тем корнем, из которого произросло радио, а затем и все производные от него ветви, столь густо опоясавшие наше сегодняшнее бытие.

Прежде чем войти в современный радиомир, остановимся на таком, казалось бы, простом вопросе — что такое волны? Эта остановка оправдана тем, что у волн самой разной природы есть нечто общее, а именно: на языке математики в самом общем виде они подчиняются одинаковым законам.

У Козьмы Пруткова есть классическое поучение: «Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые, иначе такое бросание будет пустою забавою». Может, таким образом наши далекие предки и познакомились с волнами? Во всяком случае возможностей для наблюдения волн у них было предостаточно. На воде волны возникают с необычайной легкостью, достаточно лишь дуновения ветерка. Взволнованная поверхность воды кажется нам естественной и очевидной. Поэтому, наверное, при упоминании о волнах непроизвольно возникает навеянный тысячелетними наблюдениями образ волны на воде: нечто бегущее, регулярно повторяющееся в пространстве и времени. Воспользуемся и мы этой традиционной моделью волнового явления, чтобы уяснить основные его особенности.

Такой способ — изучение какого-либо явления с помощью модели — широко распространен. Например, авиаконструктор исследует аэродинамику самолета на уменьшенной его модели в аэродинамической трубе. По этому же принципу действует конструктор судов. Он изучает поведение модели проектируемого корабля в бассейне с водой. Ученые описывают и исследуют окружающий нас мир, создавая его абстрактные модели, называемые теориями. Научная теория — тоже модель. Так и волны от брошенных в пруд камней — наглядная модель волновых явлений разной природы, в том числе и радиоволн.

Почему образуется волна в эксперименте, который рекомендовал Козьма Прутков?

Ударившись о поверхность воды, камень вытесняет воду. Вытесненная вода вспучивается вокруг камня, образуя кольцевой холмик. Иногда вода выталкивается так быстро, что часть ее отрывается от поверхности и разбрызгивается во все стороны.

Водяной холм не остается неподвижным — вода вокруг места, куда упал камень, приходит в сложное колебательное движение. Каждый небольшой объем воды движется вверх и вниз и с некоторой задержкой во времени приводит в такое же движение соседние с ним объемы воды.

Не всякое колебательное движение является волновым. Например, маятник настенных часов совершает колебательное движение, но это отнюдь не волна. Физики относят маятники к системам с сосредоточенными параметрами. При анализе маятник можно заменить одной колеблющейся точкой. А для волны нужна среда, которую нельзя представить в виде одной точки. Она — непрерывная совокупность точек. Физики относят подобные среды к системам с распределенными параметрами. При волне соседние точки среды одна за другой последовательно приходят в движение. В этом главная особенность волны — она «бежит», то есть перемещается в пространстве. Если на поверхности водоема плавают какие-нибудь предметы, например щепки, то при прохождении волны они будут подниматься и опускаться: сначала те, которые поближе к месту падения камня, а затем и те, которые подальше, то есть волна «бежит» с определенной скоростью. В колебательное движение приходит не сразу вся поверхность водоема, а постепенно от места зарождения катится волна, сменяясь то гребнем, то впадиной. Как и всякую скорость, в учебных и научных изданиях скорость распространения волны часто обозначают латинской буквой V.

Скорость волны зависит от природы жидкости, в которой она возникла. В более вязких по сравнению с водой жидкостях типа меда или сиропа волна бежит с меньшей скоростью и затухает гораздо скорее, чем в воде.

Но почему же волна продолжает распространяться даже после того, как возбудивший ее камень уже покоится на дне? Камень нарушил равновесие воды и привел ее в колебательное движение, а оно уже продолжает существовать независимо от вызвавшей его причины.

При первом взгляде на волну почти наверняка покажется, что частицы среды движутся, текут вместе с волнами. Однако начальное впечатление обманчиво. Волна бежит, а ее частицы остаются практически на своих местах. Щепки качаются на волнах, не приближаясь к берегу и не удаляясь от него.

Это свойство отметил еще в пятнадцатом столетии Леонардо да Винчи. Он писал о волнах: «Импульс гораздо быстрее воды, потому что многочисленны случаи, когда волна бежит от места своего возникновения, а вода не двигается с места, — наподобие волн, образуемых в мае на нивах течением ветров; волны кажутся бегущими по полю, между тем нивы со своего места не сходят». Ясно, Леонардо сознавал, что в то время как волна движется от одного места к другому, вода не идет вместе с ней. Волна — словно летящее известие: «Где-то что-то произошло». Она — возбужденное состояние среды. Сама среда, как и колосья нив из примера Леонардо, остается на месте, а бежит вперед лишь ее возбуждение.

Если подержать палец достаточно низко над поверхностью воды, то можно ощутить каждый проходящий гребень волн, разбегающихся от места падения камня. Расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами называют длиной волны. Ее обычно обозначают греческой буквой λ (лямбда).

Легко можно измерить и другую важную характеристику волны — частоту ее колебаний. Для этого нужно в момент касания пальца гребнем волны запустить секундомер и считать следующие набегающие гребни. Их количество за одну секунду есть значение частоты колебаний. Ее обычно обозначают латинской буквой f. Измеряют ее в герцах (сокращенное обозначение Гц), Единица измерения частоты названа так в честь немецкого ученого Генриха Герца, впервые экспериментально получившего радиоволны. Один герц означает, что за одну секунду гребень волны касается пальца один раз, два герца — два раза и так далее. Частота характеризует не только волны, но и любые колебания. Например, для маятника часов частота будет равна количеству колебаний маятника в секунду.

Есть еще одна характеристика колебаний, которой часто пользуются: это время, за которое совершится полный цикл одного колебания. Его называют периодом и часто обозначают буквой Т. Для козьмыпрутковского примера период равен промежутку времени, которое пройдет между двумя последовательными касаниями пальца гребнем волны. Для маятника настенных часов период — это время, за которое он вернется в первоначальное крайнее положение. Чем чаще колеблется волна, то есть чем выше ее частота, тем меньше период. Значит, частота и период — величины взаимосвязанные, а точнее — их зависимость обратнопропорциональная. Зная частоту, можно найти период колебания и наоборот. Математически их взаимосвязь выражается просто  f= 1/T. Перейдя к волнам и памятуя о том, что длина волны есть расстояние между двумя гребнями, можно без труда написать формулу для ее определения λ= vT или, иными словами, длина волны есть расстояние, которое волна проходит за один период колебания.

Кстати, шкалы радиоприемников, которыми мы пользуемся, градуируют по-разному: когда дают длины волн в метрах, а когда частоту в килогерцах (один килогерц равен тысяче герц, то есть тысяче колебаний в секунду) или в мегагерцах (мегагерц равен миллиону герц, то есть миллиону колебаний в секунду). Сопоставить эти две зависимые величины нетрудно. Из двух вышеприведенных формул легко получается полезная для нашей повседневной жизни (ведь все мы пользуемся радио и телевидением) формула λ = c/f.  Латинской буквой «с» обозначена скорость света в воздухе, ее мы поставили вместо v. Именно с такой скоростью, как мы знаем, «бегут» радиоволны. Для практических расчетов ее принимают равной 300 тысячам километров в секунду. Если мы хотим перевести частоту колебаний волн в мегагерцах в длину волны в метрах, то удобно пользоваться таким простым соотношением λ (м) = 300/f (Мгц).

Вот еще одна характеристика колебаний, а следовательно и волн, которая часто упоминается, — амплитуда. У моряков есть такой термин: «глубина зыби». Это вертикальное расстояние от впадины до гребня. Амплитуда — половина глубины зыби. Чем большего размера камень мы бросим, то есть чем больше мы затратим энергии, тем больше будет и амплитуда волны.

Амплитуда, частота, длина волны — эти характеристики довольно наглядны, зримы. Но вот такое фундаментальное, можно сказать, понятие, как фаза, пожалуй, сложнее. Чтобы почувствовать его смысл, опять вернемся к нашему водоему и одновременно бросим в него два камня, только в разные места. От каждого камня по воде побегут волны, и в конце концов они достигнут какой-либо щепки, выбранной нами для наблюдений. Щепка начнет качаться на волнах вниз-вверх. Возникает вопрос: будет амплитуда качки больше или меньше, чем при бросании одного камня? Как мы знаем из опыта, может быть и так и этак: все зависит от того, в какой фазе придут к щепке обе волны. Если месторасположение щепки таково, что до нее доходят первые гребни от каждой волны одновременно, то к ней одновременно будут приходить и все последующие впадины и гребни каждой из волн. Тогда амплитуда качаний щепки будет в два раза большей, чем при бросании одного камня. В этом случае говорят, что волны находятся в фазе. Строгости ради надо сказать, что для упрощения ситуации молчаливо предполагалось условие: оба камня одинаковы и падают с одной и той же высоты. Тогда и вызванные ими волны одинаковы.

Но может быть и такое, что к щепке одновременно придут гребень одной волны и впадина другой. Поскольку мы посчитали волны одинаковыми, то гребень и впадина погасят друг друга и щепка не шелохнется. В этой ситуации говорят, что волны пришли в противофазе.

Между рассмотренными двумя крайностями — от двукратного усиления суммарной волны до ее полного погашения, разумеется, возможны промежуточные варианты, и суммарная волна может быть и посильнее и послабее каждой из волн. Что же определяет те точки, где волны встречаются либо в фазе, либо в противофазе? Очевидно, разность расстояний от щепки до мест падения камней.

Из приведенного примера понятно, что фаза — это состояние колебательного или волнового процесса в данный момент времени. Когда две волны прибегают в какую-либо точку в одинаковом состоянии, то есть в фазе, то говорят, что разность фаз равна нулю, и при наложении волн, как мы видели, амплитуда волны возрастает. Если их состояние противоположно, например, у одной волны — гребень, у другой — впадина, то разность фаз равна 180 градусам. Как и углы в геометрии, фаза измеряется в градусах или радианах.

То явление, что мы рассмотрели — усиление или ослабление волн (не обязательно двух) при наложении (или, по-научному, суперпозиции) в зависимости от разности их фаз, — называется интерференцией. Поскольку мы живем в мире волн, то часто с ней встречаемся. Например, в концертных и кинозалах, когда в результате интерференции музыка с некоторых мест практически не слышна.

Рассмотренная нами картина распространения волн на поверхности воды довольно приближенная, но ее вполне достаточно, чтобы напомнить о таких основных параметрах волны, как частота, длина волны, скорость распространения, амплитуда, фаза. 

НА СУШЕ И НА МОРЕ 

Обратимся к научному определению волны, данному в «Физическом энциклопедическом словаре»: «Волны — это изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию… Основное свойство всех волн независимо от их природы состоит в том, что в волнах осуществляется перенос энергии без переноса вещества (последний может иметь место как побочное явление). Волновые процессы встречаются во всех областях физических явлений, поэтому их изучение имеет большое значение…»

Да, мир полон волн! Рвущаяся наружу энергия недр нашей планеты разносится от эпицентра подземными волнами землетрясений и их морскими собратьями — цунами. Наш спутник Луна вызывает приливные волны. В океане изредка прогуливаются «волны-людоеды». Еще в прошлом веке моряки передавали из уст в уста страшные истории. Будто без вести пропадают суда у африканских границ Индийского океана, а волны «пожирают» людей. Многие моряки недоверчиво посмеивались, считая, что это все сплетни, пока в 1979 году не произошла история с тяжелогрузным танкером «Синклер» у южных берегов Африки. Синоптики предсказывали, что через несколько часов танкер войдет в зону шторма, и команда крепила груз на палубе. Вдруг кто-то закричал. Все замерли в ужасе. Со стороны океана при полном безветрии на танкер надвигалась волна высотой с десятиэтажный дом. Люди ухватились за что попало. Бежать было поздно, чудовищная волна надвигалась с огромной скоростью. Масса воды обрушилась на палубу. Танкер завертелся, как пробка в водовороте. Многих недосчитались тогда. И приведенная история далеко не единственная. Одним ударом такая волна может подмять под себя могучий сухогруз, переломить стальной хребет танкеру.

Волна высотой в 30 метров образует воронку, в которую может провалиться даже очень крупное судно. Волны-гиганты встречаются в разных районах Мирового океана, но у южных берегов Африки они достигают самых больших размеров. Специалисты считают, что подобные волны — отголоски далеких штормов. Они возникают также, когда большая волна идет против морского течения. Так образуются особо опасные гребни.

Волны бродят не только на поверхности, но и в глубинах океана. Там их амплитуда достигает сотни метров. Явление мертвой воды, когда судно вдруг, будто натолкнувшись на какое-то вязкое подводное препятствие, резко теряет скорость, обязано своим происхождением внутренним волнам. Они составляют одну из важнейших проблем современной океанологии, поскольку без познания их природы нельзя до конца понять динамику вод Мирового океана и связанные с ней процессы.

А волна, прозванная тягуном, когда вдруг без видимых причин суда у причалов начинают совершать сначала медленные, а потом все более быстрые движения вперед-назад. Период таких колебаний обычно составляет одну-три минуты, амплитуда — пять и более метров. Скрипят кранцы, трещат борта, оглушительно лопаются швартовые тросы. Порой не выдерживает даже корпус, и судно тонет тут же, у причала. А на море может стоять полный штиль. Обычно тягун возникает внезапно и сразу захватывает всю акваторию порта. Особенно он опасен для танкеров: порвись идущие на берег шланги — ив море устремится нефть.

Хотя тягун давно известен морякам, изучать его природу начали только после второй мировой войны. И разобраться в ней до конца пока не смогли. Одной из причин зарождения тягуна считают так называемые длинные волны. Они могут возникнуть далеко в море и иметь небольшую высоту. Но вблизи берега картина меняется. По мере уменьшения глубины растет высота волн. Происходит своего рода отбор волн: некоторые из них подавляются, а другие, наоборот, растут очень быстро.

На подходах к большинству из портов, подверженных тягуну, существуют условия для концентрации волновой энергии. Рельеф дна, мысы нередко играют роль громадных линз, которые концентрируют энергию в пучок и направляют ее в гавань.

В межзвездных далях тоже «гуляют» волны — ударные. Они, хотя подчас и вызывают у людей страх, волнение и удивление, в отличие от землетрясений и цунами не приводят к катастрофическим для Земли последствиям. Жизнь на Земле вряд ли была бы возможна, если бы создаваемые в результате ядерных реакций ударные волны не поддерживали горение Солнца. До сих пор до конца не понятно влияние ударных волн, порожденных взрывающимися звездами и галактиками, на общую картину мироздания. Каков их вклад в заполнение огромных пространств разреженной плазмой и электромагнитными полями? Возможно, и наша Солнечная система обязана своим существованием космическому взрыву, когда ударная волна разметала повсюду элементы, из которых впоследствии образовались Земля и в конечном счете разнообразные формы жизни, развившиеся на ней. Да и все вещество вокруг нас и в нас самих — словом, всюду в природе — состоит из частичек, у которых есть второе лицо. Они не только материальные частицы, но и волны. Это так называемые «волны материи». Когда в 1923 году французский физик Луи де Бройль заговорил о них, то большинство ученых не поверило. Однако опыты неопровержимо доказали: крошечные кирпичики мироздания — электроны и протоны — не только частицы, но и волны.