Александр Филиппов - Многоликий солитон
В 1973 г. А. Xacегaва и Ф. Тапперт применили нелинейное уравнение Шрёдингера к распространению лазерного света в световоде и нашли условия, при которых их можно было бы наблюдать. В 1980 г. эти солитоны наблюдали Л. Молленауэр, Р. Столен и Дж. Гордон. В их опытах солитоны пробегали почти километр без заметного искажения формы. Однако если мы хотим, чтобы солитонные сигналы можно было бы принимать на очень больших расстояниях, нужно как-то компенсировать потерю их энергии. Заметим, что скорость солитонов не зависит от их энергии, но высота уменьшается, а ширина увеличивается (их произведение постоянно).
В самых лучших на сегодня световодах потери составляют примерно пять процентов на километр. Поэтому энергия солитона на расстоянии L км будет равна Е0е-0,05L, где Е0 — начальная энергия солитона (вспомните закон радиоактивного распада, только здесь роль времени играет расстояние). На расстоянии L = 20 км энергия уменьшится в е 2,72 раз.
Обсуждались разные способы компенсации этих потерь. Самый простой состоит в том, что в световод примерно через каждые сорок километров впускается лазерная подсветка. Частота и мощность подсвечивающих лазеров подбираются так, чтобы молекулы световода могли отбирать часть энергии подсвечивающего луча, а затем быстро отдавать ее солитону. Это напоминает механизм самонаведенной прозрачности, но здесь молекулы возбуждаются внешним источником, а не самим солитоном, так что возможна подкачка энергии.
Этот механизм усиления солитонов тесно связан с эффектом комбинационного рассеяния света в веществе, открытым в 1928 г. индийскими физиками Ч. Раманом и К. Кришнаном и, независимо от них, Л. И. Мандельштамом и Г. С. Лансбергом. Его часто называют просто эффектом Рамана, что, конечно, исторически несправедливо. Суть эффекта состоит в том, что при рассеянии света его спектральный состав изменяется. Говоря словами Л. И. Мандельштама: «Мы здесь... имеем не что иное, как модуляцию падающей волны собственными колебаниями молекул... так же, как спектр обычного телефонного передатчика несет в себе весь ваш разговор..., так и спектр рассеянного света несет то, что молекула говорит о себе. Изучая его, вы изучаете свойства молекулы, вы изучаете ее строение».
Мы не можем входить в детали, но для понимания солитонного телеграфа это и не нужно. Достаточно понимать, что при посредничестве молекул световода солитон может получать энергию от подсвечивающего лазера, и все можно устроить так, что эта энергия полностью скомпенсирует потери. Это и позволяет солитонам проходить большие расстояния, сохраняя индивидуальность. Конечно, существуют и ограничения, связанные с тем, что случайные взаимодействия солитонов с молекулами световода несколько меняют его скорость. Поэтому на очень больших расстояниях (несколько тысяч километров) могут начаться сбои: скажем, один импульс догонит другой. Ограничения на скорость передачи информации солитонными импульсами вызваны тем, что сам импульс нельзя сделать слишком коротким и что между импульсами необходимо оставлять достаточно большой зазор. Можно рассчитывать на минимальную длительность импульса 1 пикосекунды (т. е. 10-12 с). Если отправлять импульсы не чаще, чем через 10 пикосекунд, то один бит информации передавался бы за 10 пикосекунд, т. е. скорость передачи информации 1011 бит/ч = 100 гигабит/с. Видимо, это максимум того, на что реально можно рассчитывать, но это очень неплохо, в сто раз лучше, чем в обычной волоконной связи. Кроме того, солитонная связь должна быть куда более надежной (не нужна регенерация!) и более дешевой.
В опытах, с которых был начат этот рассказ, было показано, что все теоретические ожидания и предсказания оказались правильными. Удалось передать солитоны на расстоянии больше 4000 км без существенного искажения их формы. Теперь практическая реализация проекта солитонного телеграфа не за горами. Вероятно, в середине следующего десятилетия он заработает! Это будет первый пример реального применения солитонов в технике, подобного телеграфу, телефону, радио. Возможно и применение этих солитонов в ЭВМ с оптическими элементами памяти и оптическими линиями связи.
Вся эта история интересна еще и тем, что она позволяет проследить весь путь от рождения идеи до ее технической реализации. После фундаментальной работы Захарова и Шабата (1971 г.) довольно быстро (1973 г.) возникла идея получить оптические солитоны в волокнах. Как раз в это время научились делать хорошие волокна, а лазеры уже давно стали привычным инструментом физиков. В этом же 1973 г. сформировалась идея об использовании комбинационного рассеяния для усиления импульсов в световодах В 1980 г. удалось наблюдать солитоны, а еще через три года сформировалась мысль соединить одно с другим — применить комбинационное рассеяние к «усилению» солитонов. После пяти лет расчетов и экспериментов были, наконец, выполнены опыты, доказавшие возможность технической реализации солитонной передачи информации. Теперь в дело включатся технологи, инженеры, бизнесмены. Схематически можно представить этот путь от чистой идеи до ее материального воплощения примерно так:
Если чего-то в этой схеме не хватает, реализация идеи сильно задерживается. Судьба оптического солитона очень счастливая. Он родился вовремя и лет 25 от роду начнет самостоятельную жизнь в обществе, принося пользу людям.
Нервный импульс — «элементарная частица» мысли
Основные идеи о том, как образуется и как распространяется импульс электрического напряжения по нервным волокнам, были высказаны уже в начале нашего века. Они, однако, не были достаточно подкреплены опытами на живых нервных волокнах. Одна из основных причин этого состояла в том, что диаметр волокон очень мал: у млекопитающих — не больше 20 мкм, у лягушки самые толстые волокна имеют толщину 50 мкм.
Настоящее изучение структуры нервных волокон и распространения по ним электрических импульсов началось только с 1936 г., когда были найдены гигантские нервные волокна у кальмаров и каракатиц. Диаметр волокон у этих необычных существ доходит до 1 мм, и это уникальное свойство их нервной системы сослужило большую службу науке.
Скорость распространения нервного импульса с увеличением толщины d центральной части волокна увеличивается. Однако это увеличение очень медленное, примерно пропорциональное Чтобы выжить в тяжелых условиях, надо, чтобы сигнал опасности передавался по соответствующему нерву как можно быстрее. Простейший способ — увеличение толщины волокон. По-видимому, каракатицы в процессе эволюции выжили вследствие того, что как-то сумели в десятки раз увеличить толщину этого жизненно важного нерва. Однако эволюция «изобрела» еще и другой, более совершенный способ увеличения скорости нервного импульса, который и был «принят на вооружение» остальными животными. У высших животных, а также и у нас с вами многие нервные волокна заключены в изолирующую оболочку. Это дает тот же эффект, что и увеличение толщины. Скорость импульса в толстом нервном волокне каракатицы равна 25 м/с, а в волокнах млекопитающих, которые в 50 раз тоньше, она может достигать 100 м/с.
Итак, благодаря тому что каракатицы выжили в процессе эволюции, к середине столетия были установлены все основные факты, необходимые для создания обоснованной теории прохождения импульса по нервному волокну. В 1952 г. английские физиологи А. Ходжкин и А. Хаксли в серии блестящих работ построили теорию, которая получила общее признание (в 1963 г. им была присуждена Нобелевская премия по медицине). Детали устройства нервного волокна и подробности теории для нас несущественны. Познакомимся лишь с самыми главными фактами и идеями.
На многочисленных опытах было твердо установлено, что форма и скорость импульса не зависят от величины раздражения нерва. Если раздражение очень сильное, то выпускается подряд целая «очередь», или «залп», импульсов. Если оно очень слабое, то импульс по нерву вообще не пойдет, минимальная сила раздражения называется «пороговой». Все это очень напоминает распад большого горба на поверхности воды на солитоны. Разница только в том, что импульсы нервного возбуждения совершенно одинаковы и распространяются друг за другом с одинаковой скоростью. Простота и целесообразность такого устройства передачи информации по живому организму, конечно, изумительны. Каждый импульс переносит одну единицу информации, и «приемным устройствам», о которых мы не будем здесь говорить, достаточно только считать, сколько таких «элементарных частиц» информации поступило и за какое время.
