Мир волн

Мы привыкли думать, что живем в мире вещества и предметов, которые можем видеть, слышать, осязать, обонять, пробовать на вкус. Но наш мир не только мир вещества, но и мир волн, заполняющих и пронизывающих все пространство.

Свет и тепло солнца, которым обязаны мы жизнью, сквозь миллионы километров космической пустоты переносят к нам волны. Но волны существуют не только в космосе. Они - всюду. Каждая вещь, каждый предмет отбрасывает в окружающее пространство волны. Мы видим потому, что в глаза попадают световые волны; мы слышим потому, что в уши непрерывным потоком вливаются звуковые волны. Только незримые сами по себе колебания, только волны позволяют издалека узнавать о присутствии, о существовании вещей. Попадая в глаза, световые волны рождают ощущение света, сообщают о форме, цвете и размерах окружающих нас предметов; а звуковые волны, воздействуя на уши, рождают ощущение звуков и сообщают очень важные сведения об окружающем мире.

Световые волны существуют в природе с тех пор, как зажглись звезды. Звуковые смогли возникнуть лишь после того, как на Земле образовались океаны и атмосфера. Однако мир звуков и особенно мир света были богаты и разнообразны уже и в ту пору, когда мир вещества на Земле был примитивен и скуден и еще некому было глядеть на него и вслушиваться в его звуки. И потому что мир света и звуков был богат, волнам, в особенности световым, с самого начала зарождения живого пришлось сыграть важнейшую роль в великой лаборатории жизни. И нет ничего удивительного в том, что зрение и слух издавна являются важнейшими чувствами животных, населяющих нашу планету.

Помимо звуковых и световых, существуют и другие типы волн. Это и радиоволны, отличающиеся от световых лишь гораздо большей длиной, и ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-излучения - тоже электромагнитные волны, но значительно более короткие, чем световые. Это и волны вещества, теоретически предсказанные и обнаруженные физиками в двадцатые годы нашего века. Это и гравитационные волны, предсказанные, но еще не обнаруженные.

Словом, можно еще раз повторить, что наш мир - мир не только вещества, но и волн.

Почему же, однако, природа создала только органы, реагирующие на световые и звуковые волны, и не создала органов, воспринимающих волны других типов?

Пожалуй, прежде всего потому, что естественных мощных источников ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучей, к счастью для нас, нет на Земле, а атмосфера не пропускает этих лучей, идущих от Солнца и других звезд. Если бы на Земле существовали мощные источники таких лучей или их пропускала атмосфера, природа, возможно, не только не создала бы органов, воспринимающих эти лучи, но и сама жизнь, в том виде, в каком мы ее знаем, не возникла бы на Земле: ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи враждебны жизни.

Радиоволны могут принести вред живому только в очень больших дозах. Природа не смогла обучиться радиотехнике - ей не с чем было экспериментировать. Естественных источников мощных радиоволн на нашей планете нет. Только молнии и другие электрические разряды создают короткие всплески радиоволн. Но они случайны и разнохарактерны. А природа, как и всякий другой экспериментатор, может ставить опыты только над тем, что постоянно и неизменно воспроизводится.

Создавать, или, как говорят в технике, генерировать радиоволны неизменного характера люди научились лишь в конце прошлого века. В 1886 году немецкий физик Генрих Герц создал свой вибратор. Он хотел практически доказать существование радиоволн, предсказанных англичанином Джемсом Максвеллом. Вибратор Герца позволил в любую минуту воспроизводить радиоволны и тем самым изучать их опытным путем.

Вскоре был изобретен прибор, воспринимающий радиоволны. Назывался он "грозоотметчик". 7 мая 1895 года на заседании Русского физико-химического общества, состоявшемся в физической аудитории Петербургского университета, Александр Степанович Попов докладывал о своем изобретении. Доклад назывался "Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям". Заканчивая доклад, Попов выразил надежду, что грозоотметчик можно значительно усовершенствовать и применить для беспроволочного приема электрических сигналов.

Его надежда вскоре осуществилась. На заседании Русского физико-химического общества в Петербургском университете 12 марта 1896 года Попов провел первый в истории сеанс беспроволочной телеграфной связи. Первыми словами, переданными с помощью радиоволн, были: "Генрих Герц".

Во времена Попова ученые считали, что вся Вселенная погружена в некую таинственную среду - эфир, благодаря которому могут существовать электромагнитные волны, а следовательно, и радиоволны. Потом было доказано, что никакого эфира не существует. Но мир радиоволн и сегодня часто называют эфиром.

Со времени изобретения радио прошло чуть более семидесяти лет. Но мы уже не можем жить без радиоволн, породивших множество искусственных органов чувств: радиоприемники, телевизоры, радиолокаторы, приборы для радионавигации и радиоуправления. Тысячи, десятки тысяч невидимых эфирных курьеров со скоростью света мчатся вокруг земного шара. Они несут в наши дома известия, музыку и изображения; они связывают корабли с берегом, самолеты и космические корабли с Землей; они ведут по заданному курсу суда, самолеты, ракеты; они переносят на Землю такие подробные изображения Луны и Марса, каких не увидишь ни в один земной телескоп; они позволяют видеть в тумане, следить за пульсом и дыханием космонавтов...

Отложите на несколько минут книгу и постарайтесь представить себе, что каждый миг вас пронизывают поющие, говорящие, но неощутимые радиоволны, примчавшиеся со всех концов света. И если вам удастся это, вы испытаете удивительное чувство необычайности современного мира.

Но попытайтесь представить и другое - молчащий эфир. Эфир, в котором ваш приемник не слышит ни одной радиостанции и лишь изредка сухо потрескивает, приняв атмосферный электрический разряд. И снова вы испытаете странное чувство, но на сей раз оно будет сродни чувству человека, первым вступившего на полюс, первым вышедшего в космос.

Еще совсем недавно, во времена Попова, эфир был таким. Миллиарды лет молчал эфир и вдруг за какие-то семьдесят лет, которые в истории земли значат столько же, сколько одна секунда в жизни человека, эфир научился говорить и петь, передавать приказы, водить корабли, самолеты и ракеты. Ему словно надоело молчание, длившееся миллиарды лет, и теперь он неумолчно шумит круглые сутки. Включите приемник в любое время дня и ночи, и вы услышите множество станций; они настолько близки друг к другу на шкале приемника, что настроиться на одну из них так, чтобы при этом не мешала другая, почти невозможно.

Мир волн

Как ни стараются радиоинженеры, как ни совершенствуют радиопередатчики и радиоприемники, взаимные помехи при работе радиостанций непрерывно возрастают. Принято множество законов и международных соглашений, направленных на борьбу с помехами. Но эфир вышел из повиновения, он словно взбесился и, вместо того чтобы помогать радиосвязи, все чаще и чаще начинает мешать ей. И если не найти каких-то новых методов, новых принципов радиосвязи, в ближайшие годы в эфире может начаться совершеннейший хаос.

Мы уже знаем, что два или тем более несколько близко расположенных радиопередатчиков или радиолокаторов не могут работать на одной и той же волне (частоте колебаний); они будут настолько сильно мешать друг другу, что связь и локация окажутся невозможными. Чтобы этого не случалось, во всех странах существуют особые государственные комиссии по распределению радиочастот. Они присваивают каждому устройству, излучающему радиоволны (вплоть до медицинских лечебных аппаратов), строго определенную частоту и следят за тем, чтобы все эти устройства работали только на разрешенных длинах волн. Самовольный, без разрешения комиссии, выход в эфир - преступление. Чтобы навести порядок в пользовании радиоустановками во всем мире, организована и международная комиссия по распределению радиочастот, решениям которой добровольно подчиняются все государства. Но, как видно, не помогает и это; радиостанции мешают друг другу.

А в военное время положение может ухудшиться - до соглашений ли во время войны? Боевые действия велись бы не только на земле, в небесах и на море; жесточайшая схватка качалась бы и в эфире. Воюющие стороны стали бы делать все, чтобы помешать четкой работе радиоприемников, передатчиков и радиолокаторов противника. Создание помехоустойчивой аппаратуры, позволяющей осуществлять надежную радиосвязь, радионавигацию, радиоуправление и радиолокацию в условиях намеренных помех - очень сложное дело. В военном смысле создание помехоустойчивой аппаратуры равносильно если не полной военной победе, то по крайней мере выигрышу одного из самых решающих сражений.

Здесь мне хочется сделать небольшое, но необходимое отступление.

В этой книге вы встретитесь с инженерными задачами военного характера. Тут уж ничего не поделаешь. В такое время мы живем. Наш мир - не только мир вещества и волн; это мир водородных бомб и ракет. И, как это ни прискорбно, их изобрели инженеры и ученые. К счастью, любое военное изобретение, даже водородную бомбу и ракету, можно демобилизовать и заставить работать на благо человечества. Сегодня мы живем надеждой на это. Мы верим, что честным людям удастся предотвратить войну.

Но в некоторых странах есть еще люди, мечтающие уничтожить наше государство, и ради этого они готовы на все. Они хотят создавать все новые виды оружия, военной техники. В США первая конференция по бионике была созвана и организована военными. И даже само название новой науки, новое слово "бионика", было предложено майором военно-воздушных сил США Стиллом.

В США бионикой в первую очередь заинтересовались потому, что она, как и физика, математика, кибернетика, радиоэлектроника и многие другие, используется сейчас не только в мирных, но и в военных целях. В этом беда бионики, трагедия современной науки и техники.

К сожалению, даже некоторые ученые считают, что нынешние успехи науки и техники почти целиком объясняются мировыми войнами и подготовкой к ним. Разумеется, нельзя скинуть со счетов то, что на развитие исследований и разработок военного характера затрачиваются очень большие средства. Это дало свои результаты: отдельные исследования в физике, химии, электронике и некоторых других областях ускорились. Но такое ускорение не может быть длительным хотя бы потому, что знаниям, не имеющим военного значения, уже многие десятилетия не уделяется должного внимания. Наука же едина, и когда некоторые из ее направлений отстают, замедляется ее общее развитие.

И если мы являемся свидетелями небывалого в истории научного прогресса, то он не объясняется войнами, а происходит вопреки им. Войны унесли десятки миллионов человеческих жизней, они стоили столько денег, сколько никогда не затрачивалось на науку, они уничтожили бесчисленное множество материальных и культурных ценностей. Трудно даже вообразить, каких высот достигло бы знание, не будь в нашем мире войн. Конечно, когда наука сидит на голодном пайке, это плохо. Но не деньги ее главный двигатель, а неистребимое стремление подлинных ученых к истине, стремление принести пользу. В этом убеждает нас полная драматизма история науки, об этом свидетельствуют великие ученые всех времен и народов. И ни одно великое открытие не было сделано во имя войны. Но многие из них были потом использованы для убийства.

Не миновала общая участь и бионику. Но мы должны помнить, что бионика может принести бесценную пользу. В этом с ней могут соперничать лишь очень немногие науки.

А теперь возвратимся в мир радиоинженеров и радиоволн.

Итак, если инженеры в ближайшее десятилетие не найдут принципиально новых методов повышения надежности радиосвязи, миру радиоволн угрожает хаос. Но почему в своих поисках радиоинженеры обратились к бионике? Ведь известно, что природа не изобрела никаких радиоприборов, что в радиотехнике она неуч.

Действительно, природа не изобретала ни радиопередатчиков, ни радиоприемников и, насколько известно, никогда не имела дел с радиоволнами^*. Но зато она прекрасно освоила волны, звуковые и световые. Сходства между световыми и радиоволнами гораздо больше, чем различий. И даже у звуковых и радиоволн, имеющих различную физическую природу, тоже много общего. Вот поэтому исследования слуха и зрения человека уже оказали большую помощь радиоинженерам. Сегодня они надеются, что новые, более глубокие исследования слуха помогут им обуздать взбесившийся эфир.

^* (Науке неизвестно ни одно животное, имеющее какие-либо органы, предназначенные для излучения или приема радиоволн. И если когда-нибудь будет доказано, что телепатия все-таки существует, то это, скорее всего, может привести к открытию каких-то совершенно новых принципов связи. И, возможно, даже нового вида энергии.)

Можно назвать некоторые свойства слуха, изучение которых позволит бороться с помехами, повысить качество и надежность приема радиосигналов, создать некоторые принципиально новые приборы и устройства.

Вот несколько примеров.

Первый сразу же станет ясным всем владельцам коротковолновых радиоприемников. Часто, настроившись на какую-нибудь дальнюю станцию, мы одновременно прослушиваем и другую, причем ее сигналы иногда бывают весьма сильными. Если дальняя станция передает музыку, помехи - свисты, гудение, хрипы - испортят нам все удовольствие. Но даже и в этом случае мы сумеем узнать любимую мелодию. Чтобы полностью "забить" музыку, помеха должна быть очень мощной. Еще мощнее должна быть она, чтобы полностью замаскировать речь. Правда, это относится только к осмысленной, связной речи. Что же касается сообщений, кажущихся бессмысленными, бессвязными, то человек воспринимает их с огромным трудом. Поэтому, когда мы стараемся понять не очень хорошо знакомый язык или набор не связанных смыслом слов родного языка - как бывает при передачах шифром, - и слабенькая помеха может полностью нарушить радиоприем, но даже очень сильная не в состоянии "забить" осмысленную родную речь.

Особенно хорошо тренирован слух у радиотелеграфистов. Они уверенно принимают морзянку, даже если помеха в два раза сильнее полезных сигналов. А автоматы для приема телеграфных сигналов работают безошибочно, без сбоев, только когда сигнал в пять-шесть раз сильнее помехи. Это означает, что при тех же самых условиях приема радиотелеграфная связь с человеком может осуществляться с помощью передатчика в 10 раз менее мощного или же на расстояниях в три раза больших, чем при приеме телеграфных сигналов с помощью автомата. Правда, средний телеграфист принимает примерно 100 знаков в минуту, а автомат - многие сотни. Помимо телеграфных имеется множество других типов автоматов, реагирующих на радиосигналы, и все они, к сожалению, боятся помех значительно больше, чем слух человека.

А вот другой пример.

Представьте себе, что вы на вечеринке; кто-то бренчит на пианино, кто-то включил магнитофон, в одном углу поют, в другом жарко спорят, кто-то хлопает в ладоши, и все стараются перекричать друг друга. В комнате такой шум и гам, что вот-вот разболится голова. И все-таки вы слышите и понимаете своего собеседника, а если вас заинтересуют еще чьи-то слова или музыка, вы немедленно прореагируете и на них.

Радиостанции работают на различных частотах (длинах волн), и когда вы настраиваете ваш приемник на одну из них, вы тем самым делаете так, чтобы приемник усиливал сигналы нужной радиостанции и ослаблял сигналы станций, работающих на всех других длинах волн. На вечеринке все звуки - и голосов, и музыки - имеют примерно одинаковые длины волн - случай совершенно недопустимый в радиосвязи. Но слух человеческий справляется со своей задачей даже в шуме и гаме.

Способность настраивать слух и внимание на какие-то определенные звуки и выбирать их - а следовательно, и нужную информацию - из хаоса всех других звуков американские инженеры так и называют "эффект партии коктейля", "эффект вечеринки".

Вот еще пример.

В симфоническом оркестре насчитывается более сотни музыкантов. В состав такого оркестра входят несколько инструментальных групп. Всего в нем вместе с ударными более двадцати типов инструментов. Иногда к оркестру присоединяются и солирующие инструменты: рояль, скрипка, орган^* или другие. Совместно с оркестром могут выступать певцы и хор. Так, в исполнении ораторий и месс Баха, Генделя, Моцарта, Бетховена участвуют симфонический оркестр, орган, огромный хор и певцы - солисты.

^* (Орган мощностью и разнообразием звучания способен сравниться с самым большим оркестром. Так, например, орган Домского собора в Риге имеет 6768 труб длиной от 12 миллиметров до 10 метров. У него 127 регистров. Он расходует 133 тысячи литров воздуха в минуту. Это один из самых больших в Европе органов.)

В этом океане звуков дирижер слышит всех музыкантов, мгновенно различает любую фальшивую ноту. Но не только ухо профессионала способно выполнять столь сложную работу. Каждый любитель музыки может без труда выделять звучание отдельных групп и даже отдельных инструментов в общем, исключительно сложном звучании оркестра.

Тренированное ухо хорошего автомеханика разбирается в сложном звуке работающего двигателя. Оно свободно различает в гуле и вибрациях мотора стук клапанов, поршней, звон шатунных пальцев, дребезг ослабленных креплений - словом, все звуки, издаваемые различными агрегатами автомобильного мотора.

Каждому, и не один раз, приходилось зябко поеживаться от прикосновения холодного металлического ободка слуховой трубки врача. На что бы ни жаловался больной, врач обязательно выслушает сердце и легкие, простукает грудь и спину. Даже в наши дни, когда на вооружение медиков поступили многие совершенные приборы, выслушивание и выстукивание остаются одними из важнейших методов обследования больных. Чтобы в совершенстве овладеть этим, казалось бы очень простым, искусством, требуется многолетняя практика.

Хор

Инженеры с радостью взялись бы за изготовление "слуховых" диагностических приборов. Такие приборы могли бы принести большую пользу не только в медицине, но и при обследовании "здоровья" различных машин и при решении многих других инженерных задач. Но пока еще никто не знает, как удается нашему слуху различать конкретные сигналы среди множества других сходных. Предстоит очень большая и сложная работа, прежде чем это станет известным.

Изучение различных свойств и механизмов слуха человека и животных, создание на этой основе новой совершенной аппаратуры - одна из самых важных задач бионики.