Як мікрохвилі допомагають нам розмовляти одне з одним та чути Всесвіт

Папа Римський дивиться. Краще б це спрацювало. Такі думки, мабуть, промайнули в голові Гульєльмо Марконі в 1932 році, коли він встановлював спеціальну антену в садах Ватикану, поки Його Святість Папа Пій XI уважно за цим спостерігав.

Ця антена була частиною нового радіозв'язку, який з'єднував Ватикан з літньою резиденцією Папи у Кастель-Гандольфо. Це був не просто радіозв'язок. Він використовував мікрохвилі – радіохвилі з надвисокими частотами.

Марконі також створив портативну систему мікрохвильового зв'язку, прикріплену до автомобіля, яка з'єднувала Папу Римського з Ватиканом під час подорожей. Дехто стверджував, що це був перший мобільний телефон, хоча й дуже великий.

Тринадцятьма роками раніше Марконі отримав Нобелівську премію з фізики за внесок у бездротовий телеграф. Ера радіо була в розпалі. Але коли Марконі звернувся до мікрохвиль, він поринув у частину радіоспектра з дуже особливими властивостями.

Мікрохвилі можуть передавати величезну кількість інформації. Вони також можуть готувати їжу або порушувати роботу електроніки ворога.

Мікрохвилі навіть допомогли розкрити саме походження Всесвіту.

Піп-піп-піп

Задовго до того, як Марконі побудував мікрохвильовий телефон для Папи, хтось інший вже експериментував з подібними частотами.

Наприкінці XIX століття блискучий індійський вчений на ім'я Джагадіш Чандра Бозе, про якого зараз, на жаль, майже забули, розробив одну з найдавніших мікрохвильових технологій.

Це було перше обладнання для генерації міліметрових хвиль – хвиль, які сьогодні використовують пристрої 5G.

У 1895 році Бозе продемонстрував, що міліметрові хвилі можуть дзвонити в дзвін і навіть стріляти з гармати дистанційно. Марконі, можливо, здобув частину своєї слави завдяки Бозе.

12 грудня 1901 року, використовуючи не мікрохвильову частоту, італійський винахідник здійснив першу трансатлантичну радіопередачу.

Сидячи в хатині на вершині скелі Ньюфаундленду, він багато годин слухав вир шуму у своєму навушнику, поки не почув те, чого чекав.

Піп-піп-піп.

Код азбуки Морзе для літери S. Схвильований він передав навушник своєму колезі та запитав: "Ти щось чуєш?" Той чув.

Це було приголомшливе досягнення. Ці радіохвилі подолали понад 3000 кілометрів з півдня Англії, над відкритим водним простором.

На той час його рекорд передачі радіосигналу на велику відстань становив лише 120 кілометрів.

У наступні роки дехто ставив під сумнів, чи справді передача відбувалася так, як описував Марконі. Однак нещодавні дослідження показують, що теоретично це було можливо, навіть з його раннім радіообладнанням.

Серед цього обладнання був пристрій під назвою когерер, простий детектор радіосигналів. І хоча записи дещо нечіткі, схоже, що цей когерер був розроблений саме не ким іншим, як Джагадішем Бозе.

"Він винайшов захопливі інструменти", - каже його біограф, Судіпто Дас.

Але Бозе, можливо, випередив свій час. По-перше, на початку 1900-х років було мало корисних застосувань для мікрохвиль, які вже не були б можливими з радіохвилями нижчої частоти.

Бозе переключив свою увагу з фізики на своє більше захоплення - фізіологію рослин - і "майже канув у забуття", каже Дас.

Магнетронний попкорн

Однак Друга світова війна знову зробила мікрохвилі важливими.

Радар дозволив військовим виявляти ворожі літаки, відбиваючи від них радіосигнали. А мікрохвильовий пристрій під назвою резонаторний магнетрон, розроблений у Великій Британії в 1940 році, виявився однією з найпотужніших та найефективніших радіолокаційних технологій.

Досить малий, щоб встановлювати його на літаках, його фантастичний діапазон та точність дали країнам-союзникам важливу перевагу, яка допомогла їм виграти війну.

Магнетрон, який випромінює мікрохвильове випромінювання, також надихнув інженера Raytheon Персі Спенсера винайти мікрохвильові печі в 1945 році.

Батончик арахісу в його кишені почав танути, коли він проходив повз магнетрони в лабораторії. А коли пізніше він підняв вгору пакетик з попкорном, той лопнув і попкорн "вибухнув по всій лабораторії", як пізніше згадували в статті Reader's Digest.

Це сталося тому, що на певних частотах мікрохвилі збуджують молекули всередині їжі, змушуючи їх вібрувати на тій самій частоті. Тертя, що виникає в результаті цього, нагріває речовину.

Для мікрохвильових печей обраною частотою є 2,4 гігагерца (ГГц) – та сама частота, яку використовують багато Wi-Fi роутерів. Однак роутери випромінюють мікрохвилі на значно нижчих рівнях потужності, ніж мікрохвильові печі – тому ви не можете приготувати попкорн, просто переглядаючи веб-сторінки.

Вибір правильної частоти для приготування їжі дуже важливий, каже Керолайн Росс з Массачусетського технологічного інституту.

Мікрохвилі на частоті 2,4 ГГц добре проникають всередину їжі, і ця частота також дозволяє рівномірно поглинати випромінювання молекулами їжі.

"Якщо підвищити частоту, приміром, на десятки гігагерц, глибина проникнення стане малою й її блокуватиме майже все - навіть вода в повітрі", – пояснює вона.

Особливість мікрохвиль - частково у цій здатності взаємодіяти з речовиною на певних частотах.

Добре, розігрівання залишків вечері може здатися не дуже вражаючим явищем, але як щодо використання мікрохвиль для передачі звуків людському вуху?

Гаванський синдром

Військовослужбовці, які працювали поблизу великих установок мікрохвильових радарів, побудованих під час Другої світової війни, пізніше згадували, що вони могли відчувати роботу радара.

"Коли ми стояли поруч з антенним рупором, було чути частоту повторення радіолокатора", - писав один зі свідків у 1950-х роках.

Джеймс Лін, почесний професор Університету Іллінойсу в Чикаго, чув такі історії та намагався відтворити ефект у своїй лабораторії протягом 1970-х років.

"Я, по суті, використовував себе як піддослідного кролика", – згадує він, описуючи, як він встановив мікрохвильову антену та направив її прямо на свою голову.

Лін припустив, що мікрохвилі викликають хвилі тиску всередині його голови, які мозок сприймає як звук. Щоб не перегріти свій мозок, він тримав низький рівень потужності. "Я чув пульс, – каже він. - Те, що я досі живий… Гадаю, це було не так вже й погано".

Цей феномен став відомий як мікрохвильовий слуховий ефект. Він може пояснити низку таємничих захворювань, про які повідомляли американські дипломати по всьому світу. Але найвідоміший з цих випадків стався в Гавані на Кубі.

Жертви так званого "Гаванського синдрому" повідомляють про дивні звуки скреготу, відчуття тиску у вухах, запаморочення, нудоту та втрату пам'яті. Чи спрямовував ворог мікрохвильові промені на цих людей? Хоча деякі відкидають цю гіпотезу, Лін каже, що вона залишається найправдоподібнішим поясненням слухових симптомів.

Мікрохвильова зброя існує, хоча ті її види, які обговорюють публічно, спрямовані переважно на машини, а не на людей. Наприклад, американські військові мають ракети, які можуть знищувати ворожу електроніку мікрохвилями. Мікрохвилі можуть навіть збивати дрони.

На противагу цьому, Лін розробив способи використання мікрохвиль для лікування, наприклад, м'язових захворювань та нерегулярного серцебиття.

Для лікування останнього Лін пропонував ввести в серце через катетер крихітний пристрій, який випромінює мікрохвилі, щоб знищити аномальну тканину серця.

Цей метод, який зараз широко використовують, є менш інвазивним, ніж операція на відкритому серці, зазначає він: "Ви просто подаєте імпульс високої потужності, мікрохвилю, щоб спалити тканину".

Всесвіт розмовляє

Але мікрохвилі не лише рятують життя. Вони також допомогли розкрити походження Всесвіту.

На початку 1960-х років радіоастрономи Арно Пензіас та Роберт Вудро Вільсон спробували використати велику антену у формі рога в американському штаті Нью-Джерсі як радіотелескоп. Але вони постійно вловлювали дратівливе шипіння або статичний шум.

У якийсь момент вони подумали, що виною цьому є голубиний послід в антені, тому вони відлякали птахів і прибрали безлад. Однак птахи були не винні. Те, що чули Пензіас і Вільсон, було звуком самого Всесвіту.

"Це знімок ранніх часів", - каже Шон Макгі з Бірмінгемського університету.

Пензіас і Вільсон виявили те, що ми зараз називаємо космічним мікрохвильовим фоновим випромінюванням – сигнатуру, яка залишилася після Великого вибуху приблизно 13,8 мільярда років тому. Пензіас і Вільсон отримали половину Нобелівської премії з фізики 1978 року за свою роботу.

Залишкове випромінювання, яке вони виявили, присутнє по всьому космосу.

Невелика частка статичного випромінювання на екранах аналогових телевізорів, так званого сніжного шуму, пояснюється саме ним. Іншими словами, до появи світлодіодних екранів люди вловлювали у своїх вітальнях залишки Великого вибуху.

Супутники зрештою допомогли астрономам картографувати космічний мікрохвильовий фон, фіксуючи його коливання як незначні відмінності в температурі. Ці коливання, схоже, вплинули на те, де формувалися галактики під час розширення Всесвіту.

"Ми всі є результатом квантових коливань у дуже ранньому Всесвіті, які потім зародили галактики", - каже Макгі.

Сьогодні люди використовують мікрохвилі для будь-якого міжнародного дзвінка, який здійснюється через супутник. Це великий стрибок порівняно з обладнанням, яке Марконі встановив в авто Папи Римського у 1930-х роках.

Багато людей спілкуються одне з одним за допомогою мікрохвиль. І саме так з нами розмовляв і Всесвіт, допомагаючи зрозуміти найвеличнішу історію всіх часів.

Історію про те, як все почалося.

***

Цей матеріал створений у співробітництві Nobel Prize Outreach та BBC.