МОРЗЕ И ДЕЛЬФИНЫ
Интересно, что американский инженер и изобретатель С. Морзе, создавая свою азбуку задолго до появления теории Шеннона, исходил из тех же самых соображений. Известно, что азбука Морзе использует для кодирования символов алфавита два вида электрических посылок: короткую (точка) и длинную (тире). Каждая буква кодируется комбинацией из нескольких таких посылок. Так вот, для кодирования наиболее часто встречающихся символов, исходя из изложенных только что соображений, С. Морзе использовал самые короткие посылки. Например, буква «е», чаще всего встречающаяся в английском языке, кодируется одной-единетвенной точкой, в то время как для кодирования буквы «z» используются четыре посылки.В последние годы в нашей стране и за рубежом ведутся многочисленные исследования поведения дельфинов и других китообразных. Одна из распространенных гипотез, находящая все больше экспериментальных подтверждений, состоит в том, что дельфины обладают сложными средствами общения друг с другом. Язык дельфинов представляет собой свисты, меняющиеся по высоте тона. Согласно наиболее распространенной гипотезе отдельные сообщения могут представлять собой комбинации различных свистов.В результате длительных исследований языка дельфинов были выявлены отдельные характерные свисты и составлена таблица, где эти свисты расположены в порядке убывания частоты их появления в составе более сложных комбинаций. Мы не можем не удержаться, чтобы не привести здесь эту таблицу (рисунок на странице 178). При рассмотрении таблицы видно, что существует явно выраженная закономерность: чем чаще встречается свист, тем он проще, — совсем как в азбуке Морзе.И последний вопрос, касающийся систем связи, или, точнее, систем общения. Теория Шеннона показывает, что наибольшая эффективность любого канала связи может быть достигнута в том случае, когда все символы и вообще все единицы сообщений оказываются равновероятными. Почему же в таком случае эволюция, создавая языки общения, пошла не по самому эффективному пути? Ответ очень прост. Во внимание принимались соображения надежности.При непосредственном общении людей между собой так же, как и при передаче по каналам связи, сообщения искажаются шумами. Эти шумы могут иметь как внешнее происхождение, так и внутреннее (человек отвлекся и не воспринял какой-то фрагмент сообщения). Мы уже говорили, что средство повышения надежности информации — что-то повторить. Типичный пример — телеграмма: «выезжаем двадцатого, встречайте». Слово «встречайте» здесь, вообще говоря, лишнее. Получатель и сам знает, что ему делать. Однако слово «встречайте» страхует от возможной ошибки. Например, если будет получена телеграмма «въезжаем двадцатого, встречайте», то слово «встречайте» поможет понять, что в первом слове телеграммы допущена ошибка.Для возможности повторения нужны резервы. Таким резервом, в частности, является различная частота не только отдельных букв, но и их сочетаний. Именно благодаря этому мы, как правило, можем восстановить либо отдельное слово, либо целую фразу даже в таком случае, когда отдельные фрагменты оказались потерянными. Причем, что интересно, чем чаще встречается отдельная буква или сочетание букв, тем проще они восстанавливаются. Например, мы пишем «мосты», а произносим «маеты», и это никогда не вызывает никаких трудностей. Подобные характеристики языка используются, в частности, при дешифровке как сообщений на неизвестных языках, так и сообщений, специально зашифрованных в целях обеспечения секретности.
Еще одно мощное средство получения информации — радиолокация. Принцип действия радиолокатора очень прост. С помощью специальных антенн создается по возможности параллельный пучок радиоволн. Этот пучок точно так же, как и световой луч, распространяется по прямой до тех пор, пока не встречается с каким-либо препятствием. Препятствие частично поглощает радиоволны, а частично рассеивает их, то есть отражает в разные стороны. Та часть пучка, которая оказалась отраженной точно под углом 180 градусов, возвращается к месту передачи и может быть зарегистрирована радиоприемником. Таким образом регистрируется направление на цель, а по времени распространения сигнала до цели и обратно может быть определено и расстояние.На этом пути, однако, встречается одна очень серьезная трудность. С помощью существующих антенных систем не удается получить в точности параллельный пучок радиоволн — радиолуч. Хорошо, если угол расхождения луча не превышает одного градуса. А это означает, что на расстоянии, скажем, 100 километров радиолуч будет покрывать площадь примерно три квадратных километра. Если поперечное сечение цели имеет площадь порядка квадратных метров, то лишь одна миллионная часть энергии, заключенной в радиолуче,достигнет цели.Но это еще не все. Как уже говорилось, часть энергии поглотится целью, большая часть будет рассеяна в разные стороны. Наконец, энергия радиоволн поглощается атмосферой. В результате радиоприемника достигнет столь ничтожная доля переданной энергии, что приводить соответствующую цифру здесь даже не имеет смысла. Например, в опытах по радиолокации Луны (такие опыты проводятся сейчас довольно часто и имеют большое значение для целого ряда наук и прежде всего, конечно, астрономии) мощность сигнала, достигавшего приемной антенны, имела порядок 10-15 ватта. К этому надо добавить, что увеличение скоростей современных самолетов, а также появление ракет делает целесообразным обнаружение их лишь на весьма больших расстояниях.Из всего сказанного следует, что единственный способ обеспечить надежную работу радиолокационных систем состоит в том, чтобы увеличивать мощность передаваемых сигналов. Причем поскольку ослабление принимаемого сигнала по сравнению с переданным составляет миллионы миллионов раз, то и мощность передаваемых сигналов должна измеряться десятками и сотнями мегаватт. Создание передатчиков, непрерывно излучающих подобные мощности, представляет собой чрезвычайно сложную техническую задачу, не говоря уже о связанных с этим затратах энергии. И вот тут на помощь приходит одно очень простое соображение. Ведь для того, чтобы обнаружить самолет, находящийся в воздухе, совсем необязательно «освещать» его радиолучом непрерывно. Достаточно послать одну короткую «вспышку» радиоизлучения. Следующая такая вспышка понадобится лишь тогда, когда самолет существенно изменит свое положение.Пусть современный сверхзвуковой истребитель летит со скоростью 2000 километров в час. Чтобы сместиться на расстояние, равное собственной длине, то есть примерно на 20 метров, ему понадобится 0,036 секунды. Следовательно, чтобы постоянно знать о местоположении самолета с ошибкой, не превышающей 20 метров, достаточно посылать вспышки радиоизлучения не чаще, чем примерно двадцать восемь раз в секунду. В современных радиолокационных системах отдельные вспышки, или, как их принято называть, радиоимпульсы, обычно посылаются с частотой 50 раз в секунду. Что же касается длительности самой вспышки, то, очевидно, чем она короче, тем лучше. Поэтому длительность вспышек ограничивается лишь возможностями самих радиосистем. Относительно просто получить радиоимпульс, скажем, в одну десятимиллионную долю секунды. Вот и получается, что если мощность в радиоимпульсе будет иметь порядок 100 мегаватт, то средняя мощность за достаточно большой промежуток времени без учета КПД будет составлять всего 500 ватт.
ЭНЕРГИЯ САМОГО ВЫСОКОГО КАЧЕСТВА
Нобелевская премия по физике за 1964 год была присуждена советским ученым Н. Басову и А. Прохорову совместно с американским физиком Ч. Таунсом за открытие физических явлений, положенных в основу, создания технических устройств — лазеров. Авторы популярных статей и книг очень любят, говоря о лазерах, вспоминать роман А. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». В то же время между принципом действия лазера и гиперболоида инженера Гарина существует весьма отдаленная аналогия, касающаяся лишь конечного результата их работы. И с помощью лазера и с помощью гиперболоида можно получить световой луч с чрезвычайно малым, практически нулевым углом рас хождения. Но вот способы получения такого луча существенно различны.В гиперболоиде параллельный луч получался за счет отражения от поверхности специальной формы. Читатель, внимательно разобравшийся в четвертой главе книги А. Толстого, легко поймет, что построить подобный прибор принципиально невозможно. Атомы любого вещества находятся в непрерывном движении. Они колеблются относительно своих положений равновесия. Поэтому принципиально не может быть двух фотонов, отражающихся от сколь угодно гладкой поверхности под в точности одинаковыми углами. Все это говорится отнюдь не затем, чтобы преуменьшить заслугу А. Толстого, который проявил гениальное предвидение (опять предвидение!) и намного опередил свое время. Просто важно оттенить принцип действия лазера.Так как же действует лазер? Мы уже говорили, что атом, находящийся в возбужденном состоянии, рано или поздно возвращается в основное состояние и испускает при этом квант электромагнитного излучения. Переход в основное состояние может совершиться и сам по себе. Но известно также явление вынужденного излучения. Если поблизости от возбужденного атома пролетает фотон, характеризуемый данной энергией и, следовательно, данной частотой, и при этом разность энергий между возбужденным и основным состояниями атомов в точности равна энергии фотона, происходит то, что называется вынужденным излучением. Атом излучает фотон, имеющий в точности то же самое направление движения, ту же частоту и ту же фазу, что и пролетающий мимо него, то есть исходный фотон, вызвавший вынужденное излучение. Два фотона, исходный и испущенный, представляют собой две когерентных волны. Амплитуды этих волн складываются.Два образовавшихся таким образом фотона вызывают переход еще двух возбужденных атомов — фотонов становится четыре. После перехода еще четырех возбужденных атомов фотонов становится восемь, и так далее. Чем большее расстояние проходят фотоны в веществе, содержащем возбужденные атомы, тем больше эффективность результирующего светового луча.Таким образом, лазер представляет собой не что иное, как некоторое количество вещества (твердого или газообразного), содержащего большое количество возбужденных атомов. В отличие от широко распространенного мнения основная функция лазера — это функция усиления (а не создания, то есть генерирования) световых колебаний. Само слово «лазер» состоит из начальных букв английских слов «усиление света за счет вынужденного излучения». Поступает один фотон, а вылетает много.Чтобы удлинить путь, который проходит свет в веществе лазера, вещество (его обычно называют активным) помещают между двумя строго параллельными зеркалами. Свет испытывает многократное отражение и только после этого через небольшое отверстие в одном из зеркал выходит наружу. И, повторим здесь еще раз, фотоны излучаются в том же направлении, что и первоначальный. Поэтому сам собой получается идеально параллельный световой луч.Все это общеизвестно и описывалось сотни раз, в том числе и в популярных изданиях. Но мы даем здесь столь подробное описание, чтобы читатель мог самостоятельно подметить аналогию с тем, что говорилось в главе 4 (страница 126). Из всего только что сказанного следует, что лазер вырабатывает когерентное излучение, а когерентность, как мы это обнаружили в свое время, есть основное условие информативности.Если первоначальный фотон не поступает извне, рано или поздно один из атомов самопроизвольно переходит из возбужденного состояния в основное с излучением фотона. Правда, годится не всякий фотон, а лишь такой, направление движения которого строго перпендикулярно поверхности зеркал. Но и такой фотон рано или поздно будет получен, причем, если учесть астрономически большое число атомов даже в малых количествах вещества, долго ждать этого события не приходится. Поэтому, кроме функции усиления, лазер может выполнять также функцию создания, генерирования световых колебаний.Но на этом не исчерпываются функции лазера. Вспомним, что все фотоны, как первоначальный, так и полученные в результате вынужденного излучения, по определению, имеют строго одинаковую частоту. Поэтому лазер представляет собой источник строго одноцветного (монохроматического) света. Этим обусловливается ряд его применений, в частности применение в голографии, позволяющее создавать истинно объемное изображение предмета.И это еще не все. Если прекратить действие источника, вызывающего возбуждение атома (такое первоначальное возбуждение называют накачкой), то при многократных прохождениях светового луча все атомы очень быстро перейдут в основное состояние и излучение прекратится. Таким образом, лазер может работать в режиме импульсного излучателя. Причем здесь происходит то же самое, что и в случае радиолокатора. Можно в течение относительно долгого времени производить накачку от источника малой мощности. Когда энергии накопится достаточно (большое число атомов перейдет в возбужденное состояние), она быстро израсходуется на образование мощного светового импульса.Различные возможности применения лазеров неисчислимы. От инструмента, позволяющего хирургу совершать тончайшие операции на роговице глаза и на нервных волокнах, и кончая одним из самых грозных среди различных видов современного оружия. Нас же интересует следующее. Лазеры, а также родственные им технические устройства — мазеры, представляют собой в чистом виде информационные приборы. Каждый возбужденный атом узнает о направлении, частоте и фазе пролетающего мимо фотона и излучает фотон с точно таким же направлением, частотой и фазой. Энергия, вырабатываемая лазером, обладает самым высоким качеством среди всех известных на сегодня видов энергии.
