Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов - Чад Орцель

представляет лишь малую часть множества проблем, решенных с помощью лазеров, даже этого будет достаточно, чтобы признать лазеры одной из основных и важных технологий. Наиболее важным применением лазеров в современном мире является, однако, то, что они составляют основу современных телекоммуникаций, включая Интернет.

Сеть из света[120]

Ранее в главе мы обсуждали то колоссальное благо, которое оптоволоконные сети принесли телекоммуникациям. Световые импульсы, посылаемые через оптоволокно, имеют существенно более низкие уровни затухания, чем электрические импульсы, бегущие по медным проводам, что позволяет создавать гораздо более надежные и высокочастотные коммуникации на больших расстояниях, именно поэтому современная оптоволоконная технология была бы невозможна без лазеров. Узость лазерного луча принципиально важна, поскольку типичное оптоволокно толщиной примерно с человеческий волос, а сердцевина у волокна – одна десятая от этой толщины. Попасть даже лазером в такую маленькую сердцевину – нетривиальная задача[121], а уж для любого источника света не лазерного типа – вообще невыполнимая.

Узкий диапазон длин волн и частоты для лазерных лучей дает оптоволоконным телекоммуникациям еще большие преимущества, когда речь идет о повышении пропускной способности канала. Как было упомянуто ранее, множественные оптические волокна могут быть связаны в пучок без всяких проблем типа «перекрестных разговоров» или утечки сигнала, как это случается между близко лежащими медными проводами. Более того, даже одно волокно может передавать несколько разных сигналов одновременно, кодируя их с помощью разных лазеров, у которых слегка отличаются длины волн. Лазерный луч может быть скомбинирован до того, как он войдет в волокно, и разделен на другом конце, позволяя одной нити волокна передавать примерно двадцать сигналов сразу, существенно повышая возможности передачи для телекоммуникационных сетей.

В то время как самые ранние компьютерные сети были проложены с помощью медных линий передач, современный Интернет с потоковым видео и бесконечными фотографиями симпатичных котят в социальных медиа невозможно представить без взрывного расширения полосы пропускания, которое последовало за введением оптоволоконных коммуникаций в 1980-х годах. Первый трансатлантический оптоволоконный кабель в 1987 году мог передавать одновременно 40 000 телефонных звонков, в десять раз больше, чем могли медные кабели до того. Самая «свежая» из трансатлантических оптоволоконных линий, законченная в 2017-м, передает цифровые данные со скоростью 160 триллионов бит в секунду, что в 500 000 раз больше, чем кабель 1987 года, и более квадрильона раз быстрее, чем передавалось первое трансатлантическое послание по телеграфу в далеком 1858 году.

Количество данных, передаваемых за месяц через глобальный Интернет в 2016 году – два года назад, когда я это писал, примерно в 1000 раз превышало все, что передавалось за целый 2000-й, и почти все связи на больших расстояниях, составлявшие эту сеть, обеспечивались лазерными импульсами, бегущими по оптоволокну. Так что в следующий раз, когда вы входите в свой компьютер и умиляетесь картинкам с детишками, которые вам передал друг с другого континента, помните, что, в конечном счете, вы должны за это благодарить Эйнштейна, статистику и квантовую природу света и атомов.

Глава 6

Чувство обоняния: Исключительно химия

Мой чай еще чуть-чуть слишком горячий, чтобы пить, но я ощущаю его аромат…

Когда дело доходит до распознавания запахов, люди не слишком-то в этом преуспевают, особенно по сравнению с нашими друзьями из царства животных, у которых невероятно большая часть мозга занимается обработкой запахов. В то время как наши носы, можно сказать, недоразвиты, запах все же оказывает на нас сильное влияние, особенно если речь заходит о пище. Запах приготовленной пищи – важная часть процесса еды, и отсутствие запахов может изменить даже хорошо ощутимый вкус приготовленного. Попытка попробовать различные овощи на вкус с заложенным носом – это уже что-то вроде научно-ярмарочного трюка. Как это ни удивительно, отличить, скажем, яблоко от картошки, если вы не ощущаете их запаха, на удивление довольно сложно.

Определение запахов оказалось сложным химическим процессом, где мельчайшие молекулы, испаряющиеся от объекта, достигают рецепторов в носу и заставляют их реагировать. Если углубиться в детали, то мы сразу столкнемся с проблемой устрашающих и непроизносимых химических названий (скажем, «2-этил-3.5диметилпиразин» – это одна из молекул, отвечающих за аромат кофе) и необходимости выбирать между моделями точного механизма, с помощью которого рецепторы в носу ощущают запах. Это жутко сложная тема, и ученые до сих пор с ней до конца не разобрались.

Одно можно сказать наверняка, что на самом глубинном уровне процесс определения запаха по сути своей квантовый. Химия молекул, вовлеченных в запахи, – и в реальности вся химия, насколько мы ее понимаем, – уходит корнями в самый странный квантовый феномен, а именно в эксцентричное свойство, называющееся «спин».

Как работает обоняние

Человеческое чувство обоняния (как и у большинства животных) работает в стиле, похожем на систему определения цветов, обсужденную ранее в 3-й главе. Небольшие молекулы, входящие в наши ноздри, формируют химические связи с особыми молекулами «обонятельных рецепторов» в носу. Они связаны с отдельными нейронами высоко в носовой полости. Когда обонятельный рецептор соединяется с молекулой из воздуха, он заставляет нейрон послать сигнал в мозг, который собирает сигналы от различных нейронов и затем перерабатывает их в то, что мы ощущаем как запах.

Однако восприятие запаха гораздо более сложное, чем восприятие цвета. В то время как сетчатка глаза человека содержит только три различных типа клеток, различающих цвета, при этом каждая чувствительна к достаточно широкому диапазону длин волн, человеческий нос содержит несколько сотен типов нейронов-рецепторов[122] для распознавания запахов. Конкретная молекула запаха, попадая в нос, может заставить реагировать сразу несколько рецепторов, и различные комбинации рецепторов ощущаются как различные запахи. Молекула из моего любимого чая возбудит ряд рецепторов, скажем, # 3, # 7 и # 122, в то время как молекула, воспарившая от кофе сидящего рядом человека, заставит среагировать другие – # 3, # 24 и # 157. Некоторые из тех же самых нейронов будут вовлечены в реакцию, но получившаяся в результате комбинация, а соответственно и ощущаемые запахи, будут совершенно различными.

Огромное разнообразие рецепторов ведет к большому количеству возможных для восприятия запахов. В то время как исследования цветного зрения предполагают, что люди могут различать несколько миллионов слегка отличающихся цветов, недавние оценки дали число комбинаций запахов, которые мы можем различить, примерно в триллион.

Другое различие между обонянием и зрением в том, что механизмы, по каким срабатывают рецепторы запахов, остаются еще предметом споров. Цветное зрение хорошо понятно, поскольку процесс поглощения фотонов, когда частица света заставляет молекулы переходить в другие состояния, что, в