Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы - от кухни до космоса

Управление пучком электронов – невероятно сложный процесс. Для формирования изображений на телеэкране требуется множество электронных компонентов, причем все они должны действовать строго синхронно, исполняя свои функции исключительно в определенные моменты времени. Именно поэтому в телевизорах старых типов множество ручек настройки, позволяющих корректировать и «подстраивать» картинку на экране. Кстати, многие владельцы телевизоров этим злоупотребляли, то и дело (зачастую без реальной необходимости) вращая ручки настройки. Впрочем, для моего дедушки настройка телевизоров была не забавой, а профессиональной обязанностью. Можно сказать, он был знатным специалистом по части ремонта и настройки телевизоров. Со стороны его манипуляции выглядели как некое священнодействие. Настоящих мастеров своего дела уважали во все времена – да и как не уважать мастера, если он делает то, что у тебя не получается! Сейчас мир изменился. Специалисты-электронщики могут «оживить» неработающее устройство, но вы не понимаете, что именно они делают и почему оно работает.

Кажется невероятным, что молчаливые и невидимые электроны, замкнутые в вакууме, могут быть ключом ко всему богатству телетрансляций, полных звуков и красочных кадров. В течение пятидесяти лет работа телевизора основывалась на одном и том же простом принципе: поместите электрон в электрическое поле – и сможете ускорять или замедлять его движение. Поместите движущийся электрон в магнитное поле – и сможете отклонять его в ту или иную сторону. Поддерживайте этот процесс в течение долгого времени – и он будет циклически повторяться.

Масштабный физический эксперимент в ЦЕРН [80](Женева), уже успевший прославиться открытием бозона Хиггса в 2012 году [81], основан на тех же принципах, что и электронно-лучевая трубка, хотя в Большом адронном коллайдере проводятся эксперименты не только с электронами, но и с другими элементарными частицами. Электрическое поле позволяет придать ускорение любой заряженной частице, а магнитное поле – искривить путь, по которому она движется. В недрах Большого адронного коллайдера – эксперимента, который наконец подтвердил существование бозона Хиггса, – ускорение придается протонам. В коллайдере достигнуты скорости, весьма близкие к скорости света. Они настолько высоки, что даже при использовании чрезвычайно мощных магнитов, управляющих движением частиц, протяженность кольца ускорителя пришлось сделать равной 27 километрам.

Таким образом, базовую концепцию, используемую и для обнаружения самого электрона, и для создания Большого адронного коллайдера в ЦЕРН – управляемый поток заряженных частиц в вакууме, – еще до сравнительно недавнего времени можно было обнаружить и у себя дома. В наши дни громоздкие телевизоры на базе электронно-лучевых трубок почти полностью вытеснены плоскими «плазменными» экранами. В 2008 году общемировые объемы продаж телевизоров с плоским экраном впервые превысили объемы продаж телевизоров на базе электронно-лучевых трубок, и тенденция сохраняется. Появление плоских экранов обусловило разработку смартфонов и ноутбуков, поскольку такие экраны могут иметь малые размеры. Эти новые дисплеи также управляются электронами, но гораздо более сложным способом. Вся площадь экрана делится на множество крошечных квадратиков, пикселов, а электронное управление каждым таким пикселом определяет, светится ли он. Если разрешение экрана составляет 1280 × 800 пикселов, значит, вы смотрите на сетку, состоящую из более чем миллиона отдельных цветовых точек. Каждая из таких точек управляется (включение/выключение) раздельно путем подачи на них крошечных напряжений. Состояние каждого пиксела обновляется не менее шестидесяти раз в секунду. Координация раздельного управления таким количеством пикселов – чрезвычайно сложная задача, но даже она кажется тривиальной по сравнению со сложностью функций, выполняемых вашим ноутбуком.

Но вернемся к магнитам. Магнитное поле может воздействовать на электроны, поэтому может управлять электрическими токами. Однако взаимосвязь электричества и магнетизма этим не ограничивается. Электрические токи могут также создавать собственные магнитные поля.

Как мы уже знаем из главы 5, тостеры обеспечивают весьма эффективный нагрев с помощью инфракрасного света. Однако подлинная прелесть тостера вовсе не в этом – ваш гриль тоже так умеет. Подлинная прелесть тостера в том, что он знает, когда остановиться. Универсальное правило работы тостера заключается в том, что хлеб только тогда исчезает в его недрах, когда вы нажимаете на рычажок с одной стороны. Если вы нажмете на этот рычажок не до самого конца, хлеб просто выскочит обратно из тостера. Но если вы нажмете на рычажок до упора, раздастся щелчок и хлеб останется в тостере до тех пор, пока не обжарится и не выскочит из этой мини-печи. Мне не нужно неотрывно следить за процессом обжаривания, проверяя степень готовности тоста. Когда хлеб превратится в тост, раздастся еще один механический щелчок и тост выскочит из тостера сам собой. Таким образом, пока я занимаюсь какими-то другими делами, например выкладываю из холодильника на стол масло и джем, что-то удерживает тост внутри тостера.