Текст книги "Чердак. Только физика, только хардкор!"

Автор книги: Дмитрий Побединский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 12 страниц)

7.4. Почему звук электрогитары отличается от обычной?

Звук скрипки похож на звук виолончели, звук трубы похож на звук тромбона. Инструменты одной категории звучат одинаково, но вот гитара и электрогитара – кардинально разные вещи. И там, и там – струны, гриф, дека. Но звук разный.

Все знают, насколько мощной и злой может быть электрогитара, чего нельзя сказать об обычной гитаре, звук которой мягок и мелодичен. Откуда возникает такая большая разница? Ведь и то, и то – гитара!

Тот резкий звук, который мы ассоциируем с электрогитарой, – это только эффект, который можно применить и к виолончели, и к фортепиано и так далее. Это – эффект дисторшн (англ. distortion – искажение). Но исторически он возник именно на гитаре, и настоящие ценители любят только тот, который нашли гитаристы в середине прошлого века. Давайте поговорим именно об этом звуке.

Классическую акустическую гитару люди слушают уже давно. До нее были всякие похожие на нее инструменты, но принцип у них одинаковый. Звук обычной гитары образуется благодаря гармоническим колебаниям струны и усиливается декой благодаря резонансу. В итоге получаются плавные звуковые волны, которые и есть звук гитары.

Сотни лет людей устраивала громкость инструментов, но с развитием музыкальной индустрии все больше и больше людей хотели послушать известных музыкантов. Гитару стали подключать к электроусилителю, чтобы она звучала громче. И вот тут понеслось!

Усилок берет сигнал, а именно переменный ток, с гитары и увеличивает амплитуду этого тока. И если играть не очень громко, то усиление без искажений и звук нормальный. Кстати, отчасти из-за этого в электрогитарах отказались от большого резонатора, потому что усиление происходит в усилке, а не в деке.

Но вот если играть очень громко, то усилок не справляется, так как в любой схеме есть ограничение по амплитуде. В реальности у него есть какой-то предел, дальше которого он не может ее увеличивать. Гладкие синусоиды срезаются, и в результате получается совсем другой, резкий звук. На усилителях тех времен это звучало достаточно мелодично, и этим начали пользоваться многие музыканты – перегружать усилитель.

В этом основная разница, но можно рассмотреть этот эффект еще более детально. Есть такая штука – преобразование Фурье. Если такое преобразование провести с синусоидой, то получится функция-точка, показывающая частоту этой синусоиды. Если произвести преобразование Фурье для сложного колебания, которое является смесью «простых» гармонических колебаний, у нас получится несколько точек, показывающих, какие отдельные частоты содержатся в этом сигнале. И если мы преобразуем перегруженный звук гитары, то окажется, что в нем, помимо основной частоты, появляется много дополнительных частот! Их называют гармониками, и они окрашивают звук электрогитары и еще больше отдаляют ее от акустической.

То есть в резкий звук электрогитары больший вклад вносит усилок, нежели сама гитара.

И еще один факт. Электрогитара обязана своим звучанием магнитам! Если б не они, возможно, мы бы сейчас не слушали Queen и AC/DC и Metallica. В самых популярных звукоснимателях с помощью магнитов колебания струны преобразуются в электросигнал.

Под каждой струной есть постоянный магнит. Он создает магнитное поле, в котором колеблется струна. В ней возникает переменный электрический ток, который создает вокруг себя еще одно магнитное поле, только уже переменное. Оно, в свою очередь, создает в катушке, намотанной вокруг магнита, электрический ток, который колеблется в такт струне. Вот такая длинная цепочка, но благодаря ей возможно бесконтактным способом превратить колебания струны в ток.

Так что для электрогитары подходят только металлические струны.

На самом деле музыкальные инструменты всегда были и являются объектом исследований. Сейчас с невероятной скрупулезностью изучены спектры многих инструментов, построены их математические модели, которые с успехом используют в синтезаторах. В наше время придумано море синтетических звуков, музыку можно писать на любом компьютере. Однако настоящий звук перегруженной гитары по-прежнему извлекают по старинке – на старых гитарах и усилителях. Настолько он особенный.

7.5. Что почувствует искусственный интеллект при первом поцелуе?

Искусственный интеллект… Каким же он будет? Хладнокровным и равнодушным или сочувствующим и переживающим? Да он уже давно существует: дроны (беспилотные летающие аппараты), поисковики Гугла и Яндекса, автопилот Тесла… Даже стиральные машинки и автоматические пылесосы обладают искусственным интеллектом, ведь они умеют обучаться на основе приобретенного опыта, умеют адаптироваться к новым условиям и грамотно распределять свои ресурсы. Они на основе своих знаний, умений и внешних факторов могут достигать поставленных целей. Правда, в наше время не слишком мощный искусственный интеллект очень узкоспециализирован. Его задача – либо хорошо постирать белье, либо не врезаться в дерево, либо понять, что человек ищет в интернете. Мозг этих устройств заточен под вполне конкретные задачи, поэтому вряд ли два пылесоса влюбятся друг в друга и начнут целоваться.

Но все же современная техника развивается семимильными шагами, и многие ученые считают: однажды наступит момент, когда технический прогресс будет настолько быстрым и сложным, что окажется недоступным для понимания. Это гипотетическое явление называют технологической сингулярностью.

Обычно ее связывают с созданием настолько мощного искусственного интеллекта, что в процессе своего развития и самообучения он будет совершенствоваться быстрее, чем если бы это контролировал человек. Эксперты считают, что это произойдет примерно в 2040 году, однако некоторые сдвигают эту дату в ближайшее будущее, вплоть до 2016 года. Представляете?

Пока созданием искусственного интеллекта занимаются люди, он наверняка будет похож на человеческий. Так как же человеческий интеллект относится к поцелуям? Стоит отметить, что и он бывает разным. Ведь интеллектом обладают и шахматный гроссмейстер, и дядя Коля из соседнего подъезда. Но в любом случае человеческий интеллект может выполнять очень сложные задачи: это и поиск наилучшего партнера, и защита своей семьи, и достижение собственной безопасности и комфорта – как в настоящем, так и в будущем. Это сложилось исторически, и эволюционно уже выработаны механизмы, которые позволяют справиться с безумным количеством дел. Скорее всего, к этим механизмам относятся и поцелуи.

Согласно современным исследованиям, у поцелуев довольно прагматичная функция – оценка партнера. Это некий вкусовой тест, оценка здоровья и совместимости. И только уже потом возбуждение и получение удовольствия. При поцелуе выделяется огромное количество гормонов, которые положительным образом сказываются на самочувствии и производительности человека. Так что интеллект явно будет считать поцелуи полезным занятием.

Если создавать искусственный интеллект по образу и подобию человеческого, то как будут устроены его эмоции, как они будут влиять на него? Каким образом искусственный интеллект сможет чувствовать что-либо? Радость, страх, восторг, грусть? Будет ли он наслаждаться музыкой, грустить при разлуке и испытывать эйфорию при первом поцелуе?

Пока что мы не знаем точно, как работают эмоции. Но есть модели, которые приблизительно описывают, что происходит в мозгу при той или иной эмоции. И пользуясь одной из этих моделей, можно построить эмоциональный искусственный интеллект. Согласно теории Хьюго Левхейма, существует восемь базовых чувств (аффектов): радость, страх, горе, отвращение и т. д. Комбинируя эти базовые чувства, мы можем получить любые доступные нам более сложные чувства и эмоции.

При этом каждая базовая эмоция определяется соотношением концентрации определенных веществ, трех нейромедиаторов, а именно: дофамина, норадреналина и серотонина.

Дофамин влияет на мотивацию, сохранение информации. Норадреналин отвечает за перераспределение ресурсов и фокусировку внимания на конкретной задаче. Серотонин влияет на уверенность и удовлетворенность принятым решением. Вот такие категории уже могут быть реализованы в вычислительных машинах, и по сути их комбинация может быть аналогом чувств у искусственного интеллекта. При поцелуе вырабатывается огромное количество этих веществ. И если искусственный интеллект устроен именно так, то при первом поцелуе он наверняка сильно удивится, насколько просто можно улучшить свое самочувствие и работоспособность.

У человека, в отличие от роботов, есть ограниченный ресурс. Мы устроены так, что накачать себя огромным количеством гормонов и бесконечно наслаждаться без каких-либо последствий практически невозможно. Другое дело – машина: она уж точно будет знать, как влияет на нее гормональная встряска, и сможет это контролировать. (Ну и наверняка будет прибегать к этому постоянно.) Так что, если в будущем вы увидите целующихся терминаторов – знайте, они делают это неспроста. Конечно же, это все теории. Ведь искусственного интеллекта, который сравнится с человеческим, еще очень долго ждать. Но народная мудрость гласит: чем больше вы целуетесь, тем меньше глупостей говорите. Так что в будущем нас наверняка будут окружать мудрые и молчаливые существа с искусственным интеллектом.

7.6. Как обмануть детектор лжи

Когда был изобретен самый первый детектор лжи? Да еще до нашей эры, более 2000 лет назад! В древнем Китае человеку насыпали горсть риса в рот и выносили обвинение. Если он был причастен к преступлению, то во рту все пересыхало и рис оставался сухим. В древней Индии подозреваемый при ответе на вопрос тихонько бил в гонг. Считалось, что если он начинает бить громче, то врет.

Как видите, даже в древности понимали: у врущего человека некоторые процессы в организме идут по-другому и это невозможно контролировать. Страшно представить, какие в наши дни существуют способы выявления обмана: различные сыворотки правды, шарлатанские электропсихометры, интуиция профессиональных следователей… и конечно, детектор лжи. Но не все так просто, и оказывается, самую современную технику тоже можно обмануть!

Полиграф. Физические принципы

Итак, современный детектор лжи называют полиграфом. Он записывает сразу несколько показателей человеческого тела, которые трудно контролировать сознательно. А именно: дыхание человека, сердечно-сосудистую деятельность и электропроводность кожи. Это минимальный набор.

Если человек говорит правду, то все показатели в норме. Но если он врет и информация, извлеченная из памяти, не совпадает с ответом, то организм воспринимает это как некую опасность. Каждый раз, когда данные с различных рецепторов разнятся, запускаются защитные реакции, на всякий случай. Меняется пульс, учащается дыхание, усиливается потоотделение. Наше собственное тело выдает нас. Все эти реакции записывает полиграф, и по ним специалист определяет, лжет человек или нет.

Особенности данных

Полиграф отслеживает массу показателей, порой даже неожиданных. Например, известно: когда мы лжем, пульс учащается. Однако по ходу тестирования он может приходить в норму и даже падать ниже среднего. Намного важнее стабильность пульса. Действительно, если пульс – 60 ударов в минуту, это не означает, что они следуют каждую секунду. Между ними может быть разное время, но вот когда человек эмоционально напряжен, стабильность пульса усиливается, он становится более ровным. Вот по этому параметру можно определить вранье точнее.

Что касается дыхания, полиграф замеряет амплитуду, продолжительность вдоха-выдоха, их соотношение, угол наклона кривых, задержку вдоха-выдоха, огибающую. Так что, если вы принудительно стараетесь удержать дыхание в норме, это будет неестественно и сразу заметно.

Как видите, полиграф замеряет огромное количество показателей, и один из самых важных – электропроводность кожи. И правда, по коже человека может проходить слабенький электрический ток. Точная природа этого явления не изучена, скорее всего, она связана с потоотделением, когда на коже появляется больше влаги. Человек врет, потеет, проводимость усиливается, это регистрирует полиграф. Так что на детекторе лжи по вам пускают ток. Не такой сильный, что вы сразу говорите правду, но все же.

Как обмануть полиграф?

Так все же, как обмануть полиграф? Можно попробовать обмануть датчик кожно-гальванической реакции, который надевается на пальцы рук. Для этого необходимо заблокировать деятельность потовых желез – обработать руки дезодорантом, мазью от потливости или просто спиртом. Самое главное, чтобы средства были без цвета и запаха.

Но все же лучше обманывать прибор в целом, ведь все процессы контролируются мозгом, значит, на него и нужно действовать.

Проще всего обмануть его, если вы психопат. Если у вас нет адекватного восприятия социальных норм и морали, то и сильной реакции на вопросы не будет. Так же легко обманывать полиграф патологическим врунам и профессиональным актерам. Они могут настолько сильно поверить в другую реальность, где они невиновны, что полиграф не выведет их на чистую воду.

Простой способ для обычных смертных – иголка в ботинок. Можно немного двигать ногой, укалывать себя и вызывать реакцию, сбивая с толку полиграф. Можно прикусывать язык, но в любом случае такие механические способы видны даже малоопытному специалисту и вряд ли эффективны.

Хороший способ обмануть полиграф – ослабить реакции организма. Можно употребить накануне алкоголь, седативные препараты, выпить 10 кружек кофе. Тогда реакции будут вялыми и ложь сложно будет разоблачить. Правда, при серьезных проверках проводят анализ крови на присутствие различных веществ. Так что этот метод работает не всегда.

Отличный способ – не спать несколько дней, устроить голодовку. Тогда организм будет настолько истощен, что реакции будут очень слабы и непригодны для анализа. Но не увлекайтесь! Вы должны быть дееспособны, иначе, если вы близки к отключке, повышается сопротивление кожи. Это заметно, поэтому проверку могут перенести на другую дату.

Ну и конечно, самое лучшее – это полное абстрагирование от вопросов и механические ответы на них. Можно сфокусировать внимание на какой-либо детали, например, точке на стене, складывать в уме большие числа. Необходимо минимизировать сравнение в голове вашего ответа с воспоминаниями. Это требует длительной тренировки, но в итоге так можно запутать полиграф. Перед тестированием можно выпить много воды, чтобы сильно хотелось в туалет. Серьезно, тогда вы будете думать явно не о вопросах.

В любом случае знайте: полиграф не читает мысли и не обнаруживает ложь, а всего лишь регистрирует возбуждение организма, которое может быть разным у разных людей. Эффективность полиграфа не доказана на 100 %, и в большинстве стран законодательство не позволяет использовать результат полиграфной проверки как доказательство в суде. Так что полиграф по сей день – прибор ненадежный и может дать ошибку, даже если вы его не обманываете.

7.7. Как работает МРТ?

Современная медицина уже никого не удивляет тем, что может увидеть человека насквозь. Но вы только представьте, сколько различных методов изобретено: УЗИ, рентген, МРТ. Пожалуй, самым совершенным является последний, о нем и поговорим. МРТ позволяет создавать трехмерное изображение внутренностей человека чуть ли не в полный рост, при этом никакого вредного воздействия не оказывает! Так каков его принцип действия?

Принцип действия

Магнитно-резонансный томограф представляет из себя огромный магнит, с очень сильным полем. В самых сильных моделях оно может быть в 100 000 раз больше магнитного поля Земли! Так вот, ядра наших атомов сами являются маленькими магнитиками (потому что у них есть спин, они как бы вращаются и как бы являются малюсенькими электротоками, ведущими себя, как электромагнит). Соответственно они могут взаимодействовать с внешним магнитным полем и поворачиваются либо вдоль поля, либо против. Следует отметить, что так ведут себя только ядра с нечетным количеством протонов и нейтронов. Но все МРТ настроены на повороты ядер водорода, который содержится в большом количестве в организме в составе воды и других соединений.

Если облучить ядро электромагнитной волной определенной частоты, то оно может поглотить ее энергию и повернуться на 90 или 180 градусов, в зависимости от частоты. Через некоторое время ядро релаксирует в свое исходное состояние и излишек энергии излучает в виде электромагнитной волны. Это излучение принимается антеннами по сути как обычное радио, и если облучать ткани, то по интенсивности «отклика» можно понять, много там ядер водорода или нет. В разных тканях его разное количество, поэтому на изображении отчетливо видна разница между ними.

Но все же это достаточно дорогой и технически сложный способ наблюдения за внутренностями человека. Дело в том, что частота поглощения зависит от поля. Если бы везде поле было одинаковым, то поглощение и излучение происходило бы везде, мы бы не узнали, откуда пришел сигнал, и картинки не получилось бы.

Поэтому на практике делают так. Включают основной магнит, радиоизлучатель и так называемые градиентные поля. Они добавляются или вычитаются из поля основного магнита, делая его неоднородным. Из-за этого резонансное поглощение энергии происходит не везде, а только в маленьком участочке. Оттуда летят радиоволны и уже принимаются антеннами. Изменяя градиентные поля, мы передвигаем место резонанса, как бы сканируя тело, и получаем некий «отклик» из каждой точки тела.

В разных тканях содержится разное количество водорода (в воде и других соединениях), поэтому мы получаем разный отклик и можем восстановить картину внутренних органов. Так же время релаксации тоже различно для разных тканей! Во многих исследованиях измеряют и его, получая очень точную картину.

Байки, мифы, татухи, пирсинг, вред, все такое

Дороговизны МРТ добавляет то, что для создания сильного магнитного поля часто используют электромагнит. И чтобы он не нагревался от огромного тока, по нему проходящего, его погружают в камеру с жидким гелием температурой –269 градусов. Тогда проводник переходит в сверхпроводящее состояние и не греется, так как у него попросту пропадает сопротивление. Причем камеру с гелием погружают в жидкий азот, а камеру с азотом в вакуумную камеру. Все это – для лучшей теплоизоляции холоднющего гелия. Ведь это одна из холоднейших вещей на земле!

Вреда МРТ никакого не наносит, в отличие от рентгеноскопии, флюорографии, где человек по сути получает дозу радиации. Но все же МРТ противопоказан людям с металлическими, магнитящимися имплантантами, так как они сдвинутся в магнитном поле, что может привести к непоправимым последствиям. Татуировки в большинстве своем не являются противопоказанием, ведь в нынешних красках нет металлических примесей.

Ну и характерный стук МРТ появляется из-за движения градиентных магнитов, которые с огромной силой ударяются в упоры.

Так что, если вам будут делать МРТ, задумайтесь, что вы окружены жидким гелием, ядра в ваших атомах водорода поворачиваются, и по сути вы сами являетесь радиоизлучателем! И все это позволяет разглядеть вас изнутри!

7.8. На что способны Apple Watch?

9 сентября 2014 года корпорация Apple презентовала новое устройство. Это часы, которые обладают просто миллиардом функций: они могут измерять пульс, количество пройденных шагов, совершать звонки, оплачивать покупки и многое-многое другое. В основе этих функций лежат просто фантастические технологии и уникальные сенсоры, о которых и пойдет речь.

И первое – это измерение пульса. На самом-то деле пульсометр есть во всех смартфонах. Для этого используется встроенная вспышка, которая просвечивает палец, и камера, которая улавливает малейшее изменение яркости отраженного света, связанное с пульсацией крови в сосудах. Но в представленных часах все немного по-другому. В них используется принцип оксиметрии, который давно применяется во всех медицинских учреждениях. На внутренней поверхности часов располагаются светодиоды, которые излучают в ближнем инфракрасном диапазоне и в очень узком диапазоне видимого света. Инфракрасное излучение человек не видит (однако его может увидеть, например, фотокамера, если мы направим на нее пульт от телевизора).

Принцип действия в точности такой же: фотоэлемент улавливает пульсации отраженного света и рассчитывает пульс. Ну а зачем нужны светодиоды двух типов? Дело в том, что в крови свет отражает гемоглобин, который переносит кислород. Гемоглобин может брать на борт 4 молекулы кислорода или вообще обходиться без него. И в случае с кислородом он отражает больше видимого излучения, меньше инфракрасного. Благодаря двум светодиодам мы можем узнать, какого гемоглобина содержится больше, и тем самым рассчитать процентное содержание кислорода в крови. Так что действительно эти часы поумнее обычных.

Что же еще? С помощью Apple Watch можно оплачивать покупки простым прикосновением. Это уникальная технология, которая используется в том числе и в домофонах, и в карточках метро. Если разобрать карточку метро, то внутри вы можете обнаружить маленький-маленький чип, окруженный большой спиральной антенной. И эта антенна принимает не только сигнал, но и энергию для того, чтобы этот чип работал. В любом устройстве, которое считывает информацию с карточки, есть похожая спираль, внутри которой протекает переменный электрический ток. Он создает вокруг себя переменное магнитное поле.

И под действием этого магнитного поля электроны в карточке тоже начинают двигаться, тем самым создавая электрический ток, необходимый для питания устройства. Это не что иное, как электромагнитная индукция. В смартфонах эта технология называется NFC, и благодаря ей можно узнать, например, количество поездок, просто приложив карточку. Но это пока работает только на «Андроиде».

Также с помощью Apple Watch можно измерять количество пройденных шагов, благодаря встроенному акселерометру. Вообразите, что у вас в руке пружинка с грузиком. Когда вы идете, грузик совершает небольшие движения в такт вашим шагам. В точности такая же штука есть в любом смартфоне. Но самое интересное – то, как это движение преобразуется в полезные электрические сигналы. Это можно сделать двумя способами. Первый способ: прикрепить к грузу конденсатор – две пластины с заряженными противоположными знаками. Между ними возникает электрическое поле. И при изменении расстояния напряжение между пластинами меняется. Это производит к изменению электрического тока, которое считывает процессор, и таким образом он распознает шаги. Второй способ – это использовать пьезоэффект. Мы можем присоединить к нашему грузу диэлектрик с асимметричной кристаллической решеткой. Тогда при его сжатии или растяжении с одной стороны будут выпирать положительные заряды, а с другой стороны – отрицательные. Это приведет к возникновению напряжения между сторонами диэлектрика, которое сможет обрабатывать процессор и отсчитывать каждый шаг.

Конечно же, в Apple Watch еще море технологий, о которых можно долго рассказывать. Но самое главное, конечно, – эти часы показывают время.