...И мир загадочный за занавесом цифр. Цифровая связь - Попов Георгий Леонтьевич - Страница 36

Так что же такое свет? Кванты или электромагнитные волны?

И то, и другое — таково мнение современной науки. Свет состоит из мельчайших частиц — фотонов. Впервые если не отдельные фотоны, то, во всяком случае, малые их группы (до 5–7 фотонов) удалось увидеть 1933 г. замечательному советскому физику академику С.И. Вавилову (1891–1951). Оказалось, что фотоны света обладают массами, правда, по нашим понятиям, более чем скромными. Так, масса "красного" фотона всего 3,16∙10^-33 г, а фотон фиолетового цвета чуть увесистее — 5,15∙10^-33 г. Как говорится, рукой не ощутишь.

Обладая свойствами частицы, свет в то же время является и волной, простирающейся в бесконечность. Для объяснения связи между электричеством, радиоволнами, светом и квантовой механикой предлагается, призвав на помощь воображение, проделать такой опыт: зажать в тиски пластмассовую линейку, потереть ее выступающий конец кошачьей шкуркой (чтобы вызвать электростатический заряд) и затем придавать ей колебательные движения, меняя частоту, т. е. число колебаний в секунду. Так как всякое колебательное движение электрического заряда порождает электромагнитные волны той же частоты, что и движение, то наша линейка станет излучателем электромагнитных волн.

Начнем с частоты колебаний 50 Гц. С такой частотой подается переменный ток в наши квартиры. Именно им питаются бытовые электроприборы. Пропуская частоты в сотни и тысячи герц, с которыми переменные токи переносят цифровую речь в городских и междугородных кабелях связи, поднимаемся сразу в диапазон частот до миллионов герц (мегагерц). Здесь мы попадаем в мир радиоволн. На них ведут передачи радиовещательные станции. При 100 МГц мы попадаем в область цифрового кабельного телевидения, а при 10000 МГц (10 ГГц) — в область радиолокации. В диапазоне 430–700 ГГц нас встречают цвета радуги: мы попадаем в область видимых электромагнитных волн, проще говоря — света. Увеличивая частоты колебаний, мы оказываемся в области рентгеновских и гамма-лучей. Это диапазоны частот 10¹⁸ и 10²³—10²⁴ Гц. Показатель степени — число нулей, которые надо поставить после единицы, чтобы получить частоту в герцах. За ними следуют самые высокочастотные из известных нам волн — космические лучи. Они приходят к нам из таинственных глубин Вселенной.

Как видите, и электричество, и радиоволны, и свет, и рентгеновское излучение, и гамма-частицы — все они одной природы. Только разные частоты отличают их и придают им "индивидуальность".

В СВЧ-генераторах радиорелейных и спутниковых линий передачи длины используемых электромагнитных волн составляют caнтиметры. В оптических же генераторах длины электромагнитных волн сократились с сантиметров до десятитысячных долей миллиметра. Частотам видимого света (4,3∙10¹⁴-7∙10¹⁴ Гц) соответствуют длины волн 0,7–0,43 мкм (1 микрометр — это одна миллионная доля метра).

Так зачем же нам нужно, чтобы "радиосигнал" засветился всеми цветами радуги? Почему потребовались электромагнитные волны все большей частоты? Ответы на эти вопросы довольно просты. Во-первых, чем выше частота электромагнитных колебаний, тем шире может быть рабочая полоса частот. Это, в свою очередь, позволяет передавать цифровую информацию с большей скоростью (по аналогии с автострадой: чем она шире, тем легче по ней гнать). Для иллюстрации этого факта напомним, что для передачи цифровой речи (скорость 64000 бит/с) необходимо, чтобы в рабочей полосе частот "укладывались" гармоники с частотами 32, 96, 160, 224 кГц…., а для передачи цифрового телевидения (скорость 104000000 бит/с) — гармоники с частотами, большими в тысячи раз: 52, 156, 260, 364 МГц…. Таким образом, для цифрового телевидения нужна ширина рабочей полосы, превышающая сотни мегагерц.

Если взять, к примеру, средневолновый радиовещательный диапазон, лежащий, как вы знаете, в пределах 0,3–3 МГц, то его ширина составляет всего 2,7 МГц. Ясно, что цифровое телевидение в нем передать не удается. В то же время для этого вполне подходят сантиметровые волны СВЧ-диапазона, в котором "разместились" радиорелейные и спутниковые линии передачи. Поскольку рабочая полоса частот световых волн намного шире, в ней легко расположить десятки и даже сотни программ цифрового телевидения.

Вторая причина, по которой предпочтительнее использовать световые волны, заключается в следующем. Угол расходимости пучка радиоволн пропорционален длине волны и обратно пропорционален размеру передающей антенны. Это означает, что для получения более узкого луча нужно уменьшать длину волны колебания. Вот несколько примеров. Радиолуч с длиной волны 3 см (частота 10 ГГц), сфокусированный антенной двухметрового диаметра, через 100 км разойдется настолько сильно, что его диаметр будет равен почти 3 км. Если принимать этот луч на трехметровую антенну, она "уловит" лишь 1/1000000 часть энергии передаваемого радиосигнала. Диаметр радиолуча с длиной волны 3 мм (частота 100 ГГц), излучаемого этой же передающей антенной, через 100 км будет значительно меньше — всего 300 м, и та же трехметровая приемная антенна получит уже 1/1 000 часть энергии. Для луча с длиной волны 2 мкм (частота 300 ТГц — инфракрасное излучение) достаточно использовать "оптическую" антенну (фокусирующую линзу) диаметром всего 10 см, чтобы через 100 км луч разошелся не более чем на 2 м.

Для дальней радиосвязи особенно выгодно пользоваться оптическими генераторами. Подсчитано, что для освещения с Земли на Луне площадки в 1 км" в оптическом диапазоне волн понадобится "прожектор" диаметром 20–30 см. В сантиметровом же диапазоне радиоволн, в котором работают радиорелейные и спутниковые линии связи, для этого потребуется антенна диаметром более 1 км.

Итак, использование светового луча сулит нам немалые выгоды: передачу цифр с огромной скоростью и на очень большие расстояния.

Но всякий ли луч света годится для этого? Давайте попробуем построить световой телеграф. На передающем конце включим последовательно телеграфный ключ, батарею питания и обычную электрическую лампочку. Чтобы лучи света от нее не рассеивались, установим зеркальный отражатель. Передатчик световой линии готов. Кладите руку на ключ и начинайте телеграфировать — лампочка будет вспыхивать в такт вашим нажатиям на ключ и импульсы света полетят в пространство. Роль приемника поручим выполнять уже знакомому нам фотоэлементу. Под воздействием импульсов света в его цепи будут возникать импульсы тока. Пропуская их через электромагнит, можно получить отпечатки точек и тире на бумажной ленте, как это делается в телеграфе Морзе. Световой телеграф работает!

К сожалению, дальность действия такого телеграфа ограничена расстоянием в несколько метров, в лучшем случае, в считанные десятки метров. Дело в том, что электрическая лампочка излучает свет во все стороны и никакая оптическая система не может собрать его в одну точку. Посмотрите на свет прожектора со стороны. Чем дальше уходит он от прожектора, тем больше расходятся лучи. Пучок света обязательно будет "размазан" в пространстве.

— Как же удалось получить тонкий и в то же время очень мощный луч в гиперболоиде, описанном в романе А.Н. Толстого? — спросит читатель.

Ну что же, вернемся к изобретению инженера Гарина:

«— Вот мой аппарат, — сказал он, ставя на стол два металлических ящика: один — узкий, в виде отрезка трубы, другой плоский, двенадцатигранный — втрое большего диаметра.

…Лучи, собираясь в фокусе зеркала, попадают на поверхность гиперболоида и отражаются от него математически параллельно, — иными словами, гиперболоид концентрирует все лучи в один луч, или в "лучевой шнур", любой толщины… При этом я могу довести его (практически) до толщины иглы… Вся задача — в нахождении компактных и чрезвычайно могучих источников лучевой энергии».