Текст книги "Приключения радиолуча"

Автор книги: Валерий Родиков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 23 страниц)

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ «КОКТЕЙЛЬ»

Мы еще не коснулись самого обширного семейства волн – электромагнитного… А ведь окружающее Землю пространство, в том числе и та часть, непосредственно к ней прилегающая, в которой мы живем, подобно гигантскому «коктейлю» из электромагнитных волн. Правда, стало об этом известно сравнительно недавно – лет сто назад, хотя с рождения мы знакомимся с одним из компонентов смеси – видимым светом.

Нас окружает океан света, состоящий из множества тонов и оттенков. Тренированный глаз художника или красильщика в состоянии различить свыше 10 тысяч цветовых тонов. Мы обычно не задумываемся, что каждый цвет представляет собой электромагнитную волну со своей вполне определенной длиной. И организм, как чуткий камертон, по-разному отзывается на каждую из цветовых волн. Реакция человеческого глаза и мозга на разные длины волн и дает нам ощущения, которые мы называем цветом.

Процесс цветового восприятия до конца не познан. Свидетельство тому – новая работа английских ученых. Согласно их теории цвет предмета «вычисляется» мозгом не только на основании длины волны отраженного от предмета света, но и в зависимости от соотношения интенсивности различных цветов, что, кстати, играет главную роль. Теорию удалось экспериментально проиллюстрировать. По их концепции, цвет – продукт «вычислений» мозга.

Но как бы ни происходила в мозгу «раскраска» окружающего мира, с древних времен было подмечено, что красный цвет возбуждает, черный угнетает, зеленый успокаивает, а желтый создает хорошее настроение.

Цвет может и врачевать. Крупнейший русский невропатолог, психиатр и психолог Владимир Михайлович Бехтерев твердо верил, что будущее медицины – не в таблетках, а в натуротерапии, то есть в лечении природными факторами, в том числе и цветовыми волнами.

Доказано, что черный цвет может замедлить течение мозгового инсульта и малярии, красный помогает при лечении бронхиальной астмы, голубой замедляет пульс и понижает температуру. Больным глаукомой, как считают врачи, полезно носить очки с зелеными стеклами, а гипертоникам с дымчатыми. Исследования показали, что при красном освещении слуховая чувствительность человека понижается, а при зеленом – повышается. «Холодные» тона стимулируют белковый обмен, а «теплые», наоборот, тормозят.

Вот, оказывается, как много для нас значит цвет. Если школьный класс окрасить в белый, бежевый или коричневый цвета, то станет лучше успеваемость и дисциплина. В производственных помещениях, окрашенных в голубой и бежевый цвета, повысится производительность труда.

Интересно, что с помощью лишь правильно подобранной цветовой гаммы, без других ухищрений ученые увеличивали яйценоскость кур, продуктивность коров и рост шерсти у овец, повышали содержание полезных веществ в лекарственных растениях, заставляли цветы распускаться в нехарактерное для них время.

Интересную и важную проблему поставили перед собой сотрудники Всесоюзного НИИ оптико-физических измерений – создать государственный эталон цвета. Для этого надо дать четкую, однозначную цифровую характеристику, своеобразный стандарт, всем цветам, всем оттенкам, которые есть в природе, а их, как мы знаем, превеликое множество. У одного только черного цвета свыше тысячи оттенков, и все их можно различить. Правда, уловив различие, мы в большинстве случаев не можем объяснить, в чем оно состоит. Для начала в эталон планируется внести около десяти тысяч цветовых вариантов.

Конструктивно эталон цвета – комплекс точнейших электронных оптических устройств. Приборы эти найдут применение во многих отраслях промышленности, медицине, сельском хозяйстве – всюду, где нужны точные измерения цвета.

Ведь цвет – не только внешний вид, так сказать внешнее восприятие, но во многих производствах он служит важнейшей характеристикой качества. Например, в нефтеперерабатывающей промышленности октановое число бензина легче всего определить по цвету. А в пищевой промышленности естественный цвет продукта напрямую зависит от его качества, идет ли речь о томатной пасте, хлебе, колбасе, разного рода напитках. В медицине такой прибор станет полезным помощником при массовой диспансеризации: за несколько минут по радужной оболочке вашего глаза ЭВМ даст исчерпывающую информацию о вашем здоровье.

Мы уже говорили о влиянии звуковых волн на организм человека. Радиоэлектроника смогла объединить цвет и звук в одном устройстве. Родилась цветомузыка – дитя двух муз. Совместное влияние цвета и звука на организм человека дает возможность направленно воздействовать на его состояние. Опыты по цветомузыке ставил еще Скрябин, ей отдали дань Римский-Корсаков, Кустодиев, Борисов-Мусатов… Композиторы и художники шли навстречу друг другу: их искусства роднит динамика, заключенная в цвете и звуке.

И вряд ли им были бы по душе цветовые блики и грохот дискотек, подмигивающие в определенном ритме цветные фонарики в приставках для бытовой аппаратуры. Такая цветовая музыка оглушает, ослепляет и опустошает. Но цветомузыка может ввести вас в мир прекрасной гармонии цвета и звука, а если вы устали и чем-нибудь взволнованы, то и успокоить.

В одной из московских больниц испытывали небольшой портативный прибор. На лицевой стороне его – экран, обрамленный раструбом, который изолирует пациента от внешних воздействий. Прибор создает цветозвуковые волны, приводящие человека в определенное состояние, например успокоенное, расслабленное. Представим себе на минуту возможное рабочее место будущего: интерьер, который воздействует на людей цветом, звуком, запахом, колебаниями температуры, движением воздуха, геометрией помещения. Все факторы при комплексном воздействии создают приятные впечатления, которые освежают восприятия, снимают усталость от трудовых операций.

Не об этом ли мечтал Велимир Хлебников?

А вот еще один пример синтеза света и электроники – лазерная арфа. Ее создал один французский инженер. Вместо струн в инструменте лучи лазера, прерывая которые пальцами, музыкант получает звуки различной высоты, регулирует их силу и продолжительность. В столь необычной арфе используются специальные фотоэлектрические датчики и система зеркал.

* * *

Видимый свет всего лишь малая толика из обширнейшего электромагнитного семейства, чьи волны простираются от самых «неповоротливых», которые колеблются с частотой всего несколько герц, до столь «шустрых», что частота их колебаний достигает 10 ²³(величина огромная – число 10, помноженное само на себя 23 раза) раз в секунду, что соответствует длине волны в миллиардные доли микрона. Напомним, что микрон равен одной миллионной доле метра. В настоящее время в связи с упорядочением единиц измерения микрон стали называть микрометром.

Для измерения столь малых величин шведским физиком и астрономом А. Й. Ангстремом в 1868 году была введена новая единица измерения длины в сто миллионов раз меньше сантиметра. Единицу так и назвали ангстремом (один ангстрем равен 10 ^—8см). Частоте 10 ²³герца соответствует длина волны в три стотысячные доли ангстрема (3∙10 ^—5ангстрема). Длины волн видимого человеком света лежат в диапазоне от четырех тысяч до семи тысяч ангстрем.

Кроме видимого света, весь обширнейший спектр электромагнитных волн недоступен нашему непосредственному восприятию. Правда, результаты его воздействия на человеческий организм часто проявляются в косвенной форме и далеко не всегда тот же час. Например, невидимый глазу ультрафиолетовый свет, волны которого колеблются чаще, чем у его соседа по частотной шкале – фиолетового света, «окрашивают» нашу кожу загаром.

Ультрафиолетовый диапазон определяется приблизительно как область длин волн от 100 до 4000 ангстрем. Для удобства он подразделяется на более мелкие участки. Участок диапазона от 100 до 1800 ангстрем получил название вакуумного ультрафиолета, потому что эти волны сильно поглощаются в воздухе и изучать их можно лишь в вакууме. Участок 1800—2800 ангстрем называется коротковолновым, или далеким ультрафиолетом. Он проходит сквозь кварцевое стекло. Область 2800—3000 ангстрем называют средним ультрафиолетом. Именно ему мы обязаны загаром. Участок диапазона 3000—4000 ангстрем называют длинноволновым, или ближним ультрафиолетом. Его излучение пропускает обычное оконное стекло. Кстати, пчелы могут видеть в ближней ультрафиолетовой области, которая невидима для людей. Это позволяет им ощущать различие в цветах, которое людям недоступно.

Подобной же способностью обладают и муравьи. Причем еще в прошлом веке она была использована во благо науки для открытия невидимых звезд и туманностей, испускающих ультрафиолетовое излучение. Французские астрономы братья Анри приставили коробку с муравьями к окуляру телескопа, который направлялся на исследуемый участок неба. Как только муравьи начинали суетиться, это означало, что ими «открыта» новая звезда.

Все заявки братьев Анри, поданные на открытие новых звезд, были позднее подтверждены более точными исследованиями.

Ультрафиолетовые лучи, да и сине-фиолетовая часть видимого спектра, к ним примыкающая, далеко не безвредны для глаз. Ультрафиолет, попадая в глаза, может послужить источником глазных болезней. Синий же свет фокусируется несколько впереди сетчатки, а от этого изображение становится нечетким, мутноватым. Вот если с помощью специального светофильтра устранить сине-фиолетовую часть света и пропускать только видимые лучи, которые фокусируются непосредственно на сетчатке, то зрение будет более острым. Кроме того, если пользоваться днем специальными солнцезащитными очками, не пропускающими ни синих, ни ультрафиолетовых лучей, то улучшится и ночное зрение.

Но надо помнить, что речь идет о специальных очках. Обычные же солнцезащитные очки могут быть и вредны для глаз. Ведь наши глаза своего рода автоматическая система. При ярком свете зрачки сужаются, ограничивая поступление света, а ночью, наоборот, расширяются. Обычные защитные очки, уменьшая поступление света в глаза, способствуют расширению зрачков, в глаза попадает больше синих и ультрафиолетовых лучей, не очень-то желательных для наших органов зрения.

Земной поверхности в обычных условиях достигают ультрафиолетовые лучи, длины волн которых более 2900 ангстрем. Остальной более коротковолновый ультрафиолет гасится в озоновом слое. Ученые считают, что озоновая оболочка возникла около 420 миллионов лег назад. Ранее жизнь в относительной безопасности могла развиваться только в океане.

Наблюдения, проведенные с помощью искусственных спутников Земли, показали, что ежегодно в течение месяца над Антарктикой количество атмосферного озона уменьшается на 60 процентов, то есть образуется нечто вроде «озонной дыры», по площади равной территории США и простирающейся от Антарктиды до оконечности Южной Америки. Уровень озона в ней резко снижается в октябре, когда в Южном полушарии начинается весна. В последние годы это явление стало более выраженным. «Дыра» начинает исчезать в ноябре, когда заканчивается многомесячная полярная ночь.

Специалисты полагают, что защитный слой озона вокруг Земли разрушается быстрее, чем предполагалось. А это может иметь неприятные последствия. Озон в верхних слоях атмосферы отражает свыше 99 процентов ультрафиолетового излучения Солнца. По оценкам, потеря даже 2,5 процента озона может нанести ущерб растениям и животным и стать причиной полумиллиона случаев заболеваний раком кожи ежегодно.

Еще выше по частотной лесенке соседствуют с ультрафиолетом знакомые нам по рентгенкабинету рентгеновские лучи. Они легко проходят сквозь наше тело, только кости оказываются для них более серьезной преградой. Вот почему на рентгеновских снимках человек выглядит таким полупрозрачным. Сам рентгеновский свет, разумеется, невидим, а врач, просвечивая пациента с помощью рентгеновского аппарата, рассматривает внутренние органы человека на особом экране. В тех местах экрана, куда попадают рентгеновские лучи, он светится обычным светом.

Интересно, что первый в России рентгеновский аппарат сделал… изобретатель радио Александр Степанович Попов в феврале 1896 года, спустя месяц после выхода в свет брошюры Рентгена «О новом виде лучей». Благодаря деятельности Попова на кораблях русского военно-морского флота впервые в мире были установлены рентгеновские аппараты. Еще во время войны с Японией на легендарном впоследствии крейсере «Аврора» старший врач В. С. Кравченко проводил рентгенографию раненым.

Четкой границы между ультрафиолетовым и рентгеновским диапазонами нет. Обычно считают, что длина самых низкочастотных рентгеновских волн доходит до 1000 ангстрем. Так что нижняя граница рентгеновских лучей вклинивается в вакуумный ультрафиолет. Длина волны самого высокочастотного рентгена принимается примерно равной одной десятитысячной ангстрема (10 ^—4ангстрема). Рентгеновское излучение с длиной волны больше двух ангстрем считается мягким, а с меньшей – жестким. То есть чем больше частота колебаний рентгеновских волн, тем жестче излучение, тем большей энергией оно обладает.

«Пахнут ли рентгеновские лучи?» – этот вопрос может показаться странным. Но оказывается, что способностью их унюхать обладают крысы. Они чувствуют малые дозы рентгена, совершенно безвредного для них. Каким образом? Косвенным. Их обоняние столь чувствительно, что они улавливают даже малые изменения запаха воздуха в результате его ионизации рентгеном.

Человек имеет в основном дело с рентгеновскими лучами, полученными искусственно: на Землю природный рентген, рожденный на Солнце или в глубинах Вселенной, не пропускается атмосферой – нашим спасительным зонтиком, защитницей от губительных космических излучений.

А ведь космический рентген может многое поведать о тех процессах, которые совершаются в глубинах Вселенной. Поэтому с началом космической эры из астрономии выделилась новая многообещающая область – рентгеновская астрономия. Действительно, вещими оказались слова К. Э. Циолковского: «Только с момента применения реактивных приборов начнется новая великая эра в астрономии: эра пристального изучения неба».

До появления спутников рентгеновское излучение изучалось с помощью ракет с высотой подъема более 100 километров. Ни самолет, ни стратостат такую высоту не одолеют. Но время полета ракеты – минуты. Это ее главный недостаток. Много информации за такое время не соберешь.

Второй советский искусственный спутник третьего ноября 1957 года доставил в космос приборы, регистрирующие рентгеновское излучение. Такие же эксперименты были начаты в США спустя три года.

Сразу было сделано интересное открытие – в отличие от более или менее постоянного ультрафиолетового излучения рентгеновский поток пульсировал. Спокойные периоды сменялись бурными, когда интенсивность излучения возрастала в десять раз.

Пядь за пядью «ощупывая» нашу звезду приборами, ученые определили, что рождается рентгеновское излучение над поверхностью Солнца в короне, вернее, в отдельных небольших областях короны, так называемых конденсатах. Конденсаты тесно связаны с солнечными пятнами: они одновременно с ними возникают и исчезают.

Температура в конденсатах очень высока – 3– 5 миллионов градусов. Для сравнения: температура на поверхности Солнца – шесть тысяч градусов, в короне – миллион. Именно поэтому атомы в конденсатах теряют электроны и становятся источниками рентгеновского излучения. Так была найдена природа солнечного рентгена – его порождает разогрев небольших участков короны.

Исследователей особенно интересуют вспышки – гигантские взрывы в солнечной атмосфере. Для исследования вспышек в Физическом институте АН СССР имени Н. П. Лебедева была создана прецизионная аппаратура. С ее помощью ученые выяснили, что вещество вспышки нагревается до 30—50 миллионов градусов и порождает резкий всплеск жесткого рентгеновского излучения, в тысячу раз превосходящего рентгеновский поток от конденсатов.

Но где источник чудовищного взрыва, эквивалентного миллиарду водородных бомб? На Земле при современном уровне электродобычи такую энергию можно получить за 1000 лет. Ученые пришли к выводу, что вспышка черпает свою энергию из магнитного поля Солнца. При вспышке поле перестраивается таким образом, что в плазме солнечной короны возникают мощные электрические токи, подобно тому, как образуются они в динамо-машине. Эти-то токи и нагревают солнечное вещество до чудовищных температур. Но иногда при вспышке происходит как бы «разрыв» токовой цепи, и в этом месте частицы плазмы ускоряются до колоссальных энергий и вырываются в пространство. Некоторые из них – протоны, обладающие высокой проникающей способностью, могут быть опасными для космонавтов. Но не только Солнце источник космического рентгена, в настоящее время обнаружено более сотни галактических объектов – источников рентгеновского излучения.

За рентгеновским диапазоном лежат еще более жесткие, то есть несущие еще большую энергию, электромагнитные волны – гамма-лучи. Подчас гамма-излучение и рентгеновские лучи не отличишь друг от друга. Обычно те электромагнитные волны, которые порождаются ядрами, называют гамма-излучением, а те, которые атомами, – рентгеновскими лучами. Но если их частота совпадает, то физически эти волны отличить уже невозможно, каков бы ни был их источник.

За свою большую энергию гамма-лучи иногда называют гамма-квантами. Их энергия столь велика, что, пройдя сквозь наше тело, они могут повредить молекулы, из которых мы состоим. Благодаря атмосфере люди защищены от губительного воздействия гамма-излучения из космоса. Встречается оно и на Земле, часто сопровождая, например, радиоактивный распад. В качестве источника гамма-лучей служат такие радиоактивные изотопы с длительным периодом полураспада, как кобальт-60 и цезий-137. Волны более высоких частот получают на ускорителях.

Пассажиры международных линий, обслуживаемых американскими самолетами, поначалу очень беспокоились, когда на завтрак стали получать бифштекс в пластмассовой упаковке, на которой было написано: «Стерильность гарантирована лучевой обработкой». Но потом привыкли. Сейчас число стран, в которых в промышленных масштабах используются гамма-лучи для сохранения пищевых продуктов, исчисляются уже десятками.

Гамма-излучение находит и другие применения: предпосевное облучение семян для улучшения всхожести и повышения урожайности, в птицеводстве – Для повышения продуктивности, в рыболовстве – Для улучшения искусственного оплодотворения икры, в медицине – в онкологической практике…

В последнее время выяснилась большая роль, которую играет гамма-излучение в космосе. Оно обнаружено у Солнца и пульсаров. Гамма-излучение создают двойные звезды, одна из которых является нейтронной. Своим сильным гравитационным полем нейтронная звезда как бы засасывает потоки газов со своего спутника. В результате энергетического взаимодействия потоков газа с оболочкой нейтронной звезды и рождается гамма-излучение. Оно возникает в различных частях нашей Галактики. Как и в случае рентгеновских лучей, исследование и объяснение причин гамма-излучения выделилось в отдельное направление – гамма-астрономию.

Существует гипотеза, что когда-то космический ливень жестких электромагнитных волн все-таки проникал сквозь атмосферу (либо атмосфера была потоньше, либо энергия жестких волн была больше), и именно это «вмешательство извне» породило все сказочное многообразие растений и животных. Кстати, гамма-лучи взяли на вооружение селекционеры для получения новых сортов растений. Из облученных семян вырастают мутанты, и ученые отбирают те новые формы, которые обладают нужными свойствами.

Недавно получены данные, которые опровергают сложившееся представление о том, что облучение обязательно повышает частоту мутаций в генетическом аппарате животных. Исследователи из Дальневосточного научного центра АН СССР выяснили, что воздействие гамма-лучей в малых дозах, наоборот, уменьшало в несколько раз число случайных мутаций у горбуши. Они выбрали для экспериментов горбушу именно потому, что у нее случается много спонтанных нарушений генетического аппарата. Напоминает гомеопатию, не правда ли? Там тоже используют микродозы.

Мы познакомились с «этажами» электромагнитных волн, расположенными по частотной шкале выше видимого света. Теперь спустимся вниз. Снова, только в обратном порядке, последовательно проходим гамма-, рентгеновский и ультрафиолетовый «этажи». Оставляем за собой ступеньки видимого «этажа» фиолетовую, синюю, зеленую, желтую, оранжевую, красную и попадаем на инфракрасный «этаж». Свое название этот диапазон получил за соседство с волнами красного света. Длины инфракрасных волн простираются примерно от 7400 ангстрем до одного-двух миллиметров, где уже начинается радиодиапазон.

Инфракрасное излучение невидимо, но тем не менее знакомы мы с ним давно. Оно испускается нагретыми предметами. Издревле человек ощущал его своей кожей греясь у костра.

Пятьдесят процентов излучения Солнца приходится на инфракрасный диапазон. Та часть этого излучения нашего светила, которая перехватывается Землей, застревает в основном в атмосфере. Поэтому исследование звезд, галактик, туманностей и других объектов в инфракрасном диапазоне производится с помощью спутников и межпланетных станций. Хотя первые наблюдения в длинноволновой части инфракрасного диапазона были проведены в начале XIX века английским астрономом У. Гершелем, который исследовал инфракрасное излучение Солнца с помощью призмы и термометра, только к концу 60-х годов XX века сформировался новый раздел астрономии – инфракрасная астрономия.

Приборы, использующие инфракрасный диапазон электромагнитных волн, довольно широко применяются в настоящее время. Уже девять десятилетий применяется инфракрасная спектроскопия для качественного и количественного изучения химического состава вещества.

В годы первой мировой войны начали разрабатываться теплопеленгаторы и другие устройства обнаружения. В 30—40-е годы на основе достижений фотоэлектроники были созданы приборы ночного видения. Инфракрасное невидимое излучение объекта на фотокатоде становилось видимым. Современные системы ночного видения могут вести наблюдение и прицеливание в полной темноте. Как тут не вспомнить о человеке-невидимке Уэллса? В наши дни речь, правда, идет о невидимке в инфракрасном диапазоне. В одном английском журнале рассказывалось, что ведется поиск красителей для пропитки военной формы, которые сделают ее обладателя невидимым в инфракрасных лучах, поскольку ее отражательные свойства будут такими же, как и у окружающей растительности.

По инфракрасному излучению деталей различных устройств (например, двигателей или электронной аппаратуры) можно обнаружить места даже мизерных местных перегревов (до 0,01ºС). При помощи инфракрасной фотографии удается прочитать надписи и обнаружить отпечатки пальцев, которые не видны глазом, а также выявить картины, скрытые под слоем краски.

В военном деле инфракрасная техника применяется широко. Теплопеленгаторы определяют направления на корабли, самолеты, танки и другие цели, представляющие собой нагретые тела. Они могут обнаруживать объекты и по отрицательному тепловому контрасту, например ледяные айсберги на фоне океана. Некоторые виды ракет, в частности противовоздушная американская «Стингер», снабжены инфракрасными головками самонаведения. Для обнаружения подводных лодок используется тепловой контраст кильватерного следа. Инфракрасные приемники, размещенные на спутниках, применяются для контроля за ядерными взрывами, для обнаружения запусков баллистических ракет и космических аппаратов.

Освоение космоса открыло новые области применения инфракрасной техники. К ним можно отнести прогнозирование погоды на Земле, связь в космосе, поиск жизни на других планетах, обследование ресурсов Земли, обнаружение лесных пожаров, ориентацию космических аппаратов, слежение за ракетами и спутниками…

Широкое поле деятельности для тепловизоров (так иногда называют приборы, преобразующие инфракрасное излучение нагретых тел в видимое) предоставляет медицинская диагностика. С помощью этих приборов можно получить «тепловой портрет» пациента.

Когда мы говорим, что у нас температура 36,6 градуса, это совсем не значит, что такая температура повсюду на нашем теле. Оказывается, на различных участках поверхности тела она неодинакова и меняется в зависимости от нашего состояния.

Распределение температуры у каждого пациента индивидуальное. Вместе с тем существуют температурные распределения и контрасты, типичные для человека. В частности, одна из важнейших закономерностей – симметрия «теплового портрета». На регистрации отклонений от специфических температурных контрастов, на выявлении нарушений симметрии тепловых изображений тела человека и основывается тепловизионная диагностика. Отклонения от типичных распределений и контрастов температур связаны с заболеванием органов и тканей, прилегающих к кожному покрову. Есть предположения, что температуры определенных мест на поверхности тела человека через кровеносную и нервную системы связаны с состоянием внутренних органов. По перепадам температур, которые могут составлять как доли, так и единицы градусов, устанавливается диагноз.

Этот метод отличается абсолютной безопасностью, простотой и быстротой обследования, отсутствием каких бы то ни было противопоказаний.

Перечисленные примеры, конечно, не исчерпывают всех областей использования инфракрасных лучей, но дают представление об их больших возможностях.