Как вълните предават информация
Доктор на физико-математическите науки Л. Г. Асламазов
За да предаде на Санкт Петербург новината за коронацията на императрица Елизабет, която се проведе в Москва, верига от войници със знамена беше подредена по целия път между тези градове. По време на коронацията първият войник развя знаме, след това следващия и т.н. Така новината за коронацията стигна до Санкт Петербург, където изстреля оръдие. Това е, което се използва сложен метод за бързо прехвърляне на информация в не толкова далечни времена.
Какво се разпространяваше по веригата войници? Всеки войник остава неподвижен, но в даден момент той променя държавата си (повдига знамето). Тази промяна на състоянието се разпространява по веригата. В такива случаи се казва, че вълната се разпространява.
Вълните са различни. В акустичните (звукови) вълни плътността на материята се променя, в електромагнитните (светлина, радиовълни и др.) - силата на електрическото и магнитното поле. Има температурни вълни, вълни на концентрация по време на химични реакции, вълни от епидемии и др. Образно казано, вълните обхващат цялото разнообразие от явления в природата.
Най-простият тип вълна е монохроматична вълна, когато на всяко място настъпва промяна в състоянието с течение на времето според хармоничен закон с определена честота (но закона на синуса или косинуса). Много от естествените вълни могат да се считат за едноцветни. Звуковите вълни от този тип се наричат музикални тонове. Вълнуват се например с камертони. Монохроматичните светлинни вълни се произвеждат с помощта на лазери. Вълните, близки до едноцветните, могат да се възбуждат на водната повърхност чрез периодично потапяне на обект в нея. Подобни вълни могат да бъдат получени и във нашата верига от войници.
Представете си, че всеки войник не просто развява флаг, а прави колебания с него, като периодично повдига и спуска знамето. Всеки следващ войник повтаря тези трептения, но с известно закъснение (фазово изместване). По веригата войници ще тече вълна. Нещо подобно може да се види по време на спортни празници, когато вериги от хора правят периодични движения с фазово изместване.
Тази красива гледка радва окото, но могат ли такива вълни да предават информация? Очевидно не. Трептенията, периодично повтарящи се във времето, не ни носят нищо ново, не предават информация. Но с помощта на единичен размах, когато промяна в състоянието всеки път настъпи в ограничена зона от пространството, беше възможно да се предаде информация за началото на коронацията. Такива пространствено ограничени вълни се наричат сигнали.
Можете да го направите така, че не един, а двама, трима или дори няколко войника, стоящи един до друг, да се люлеят едновременно във веригата. Тогава дължината на сигнала ще се увеличи. Използвайки сигнали с различна дължина, е възможно да се предаде не само информация за началото на коронацията, но като цяло всяка информация. Естеството на сигнала може да бъде различно - има звукови сигнали, светлинни сигнали и т.н.
Най-интересното е, че всеки сигнал може да бъде представен като сбор от едноцветни вълни с различни честоти (съставени от такива вълни). Тази възможност ни се дава от принципа на интерференция: когато вълните се разпространяват, колебанията на всяко място в пространството се сумират. Например, в зависимост от фазовото изместване, трептенията на едни и същи честоти могат да се усилват взаимно (при нулева фазова разлика се получават трептения с обща амплитуда) и те също могат да отслабват (при противоположната фаза на трептенията). Оказва се, че амплитудите и честотите на добавените едноцветни вълни могат да бъдат избрани по такъв начин, че вълните да се отменят взаимно в почти цялото пространство, с изключение на определен регион, където, напротив, те се усилват.
Важно е да се отбележи, че тази област не стои неподвижна, а се движи със скоростта на вълната, с други думи, сигналът се разпространява. Ако скоростта от едноцветни вълни на всички честоти е еднаква (както например при разпространението на електромагнитни вълни във вакуум), тогава максималната също се движи със скоростта c. Ширината му е постоянна и равна на dL = 2 * pi * c/w. Така че продължителността на сигнала е dT = 2 * pi/w. Оказва се изненадващо проста фундаментална връзка: w * dT = 2 * pi. Продължителността на сигнала и ширината на честотния диапазон на вълните, съставляващи сигнала, са обратно свързани. Качествено тази връзка е ясна: сигнал с голяма продължителност (dT е голям) се формира от едноцветни вълни с близки честоти (w е малък). И за да съставите кратък сигнал, трябва да добавите много вълни с различни честоти. Вероятно всеки е забелязал, че мълнията причинява смущения в радиоприемника във всички честотни диапазони.