Ako funguje naše ucho
Skôr, ako si povieme, ako taký prenos prebieha, je dôležité povedať, ako fungujú naše dva najdôležitejšie zmyslové orgány sluch a zrak. Málo ľudí si uvedomuje, aké sú citlivé. Napríklad ucho je schopné zachytiť zvuk, ktorý rozochveje bubienok tak, že jeho výkyvy zodpovedajú jednej milióntine hrúbky vlasu.
Videozáznam z prednášky
Autor: T-Com – www.detskauniverzita.sk
Ako sa však zvuk prenesie zo zdroja zvuku, čo môže byť napríklad zvon na kostolnej veži, do ucha? Veď medzi zvonom a uchom nič nie je. Vylietavajú vari zo zvona nejaké „guľôčky“ ktoré narážajú na bubienok? Nie, tak to nie je. Medzi zvonom a uchom sú molekuly vzduchu, najmä dusíka a kyslíka, maličké guľôčky skladajúce sa z niekoľkých atómov. Keď kladivko zvona naráža na jeho steny, rozochveje ich. Steny potom rozochvejú molekuly vzduchu, ktoré sú v blízkosti zvona, tie potom rozochvejú susedné molekuly a tak sa chvenie steny zvona prenáša až k bubienku ucha. Je to podobné ako mexická vlna na štadióne. Vlna obehne štadión aj keď sa diváci nepohnú z miesta.
Prečo sa Mesiacu hovorí krajina večného ticha
Rýchlosť šírenia zvuku je približne 333 m/s, čo je asi 1 111 km/h, čo je štyrikrát rýchlejšie ako autá formuly 1. Tieto čísla sú približné, vybrané tak, aby sa dobre pamätali. Keby okolo nás molekuly vzduchu neboli, ako napríklad na Mesiaci alebo vo vesmíre, tak by sme nič nepočuli. Preto sa o Mesiaci hovorí, že je to krajina večného ticha. Kozmonauti sa tam museli dohovárať pomocou špeciálneho zariadenia, ktoré je schopné prenášať signál aj vo vzduchoprázdne. Takéto zariadenie využíva fotóny, častice, ktoré tvoria napríklad svetlo.
Je zaujímavé, že aj keď klasické zariadenia na prenos zvuku ako telefón a vysielačka nepoužívajú svetlo na prenos zvuku, vynálezca telefónu Bell považoval za svoj najväčší vynález práve fotofón – zariadenie na prenos zvuku pomocou svetla. Týmto vynálezom, ktorý urobil v roku 1880, predbehol dobu o takmer 100 rokov, pretože až v súčasnosti sa začína svetlo používať na prenos zvuku, obrazu a digitálneho signálu cez optické káble.
Prenos obrazu
Určite by ste radi vedeli, čo je to fotón a či sa z niečoho skladá. My však nevieme, čo je to fotón a nevieme ani, z čoho sa skladá (ak sa vôbec z niečoho skladá). Albert Einstein napísal: „50 rokov premýšľania ma nepriviedlo bližšie k odpovedi na otázku, čo je to fotón. Dnes si takmer každý myslí, že to vie, ale to sa veľmi mýli.“ Niečo však predsa len vieme. Svetlo sa skladá z fotónov, ktoré majú rôznu farbu a ktoré vytvárajú obraz na sietnici. Dokonca vieme, že sú aj fotóny, ktoré môžu mať „farbu“, ktorú nevidíme, pretože naše oko ich nie je schopné vidieť. Vtedy však už nehovoríme o farbe, ale o frekvencii. Sú fotóny, ktoré vedia preniknúť cez šaty, ba dokonca cez ľudské telo. Vďaka nim vieme urobiť obrázky našich kostí alebo vnútorných orgánov nášho tela. Určite ste už počuli o röntgenovom prístroji či tomografe.
Ako sa teda prenáša obraz? Obraz sa prenáša pomocou fotónov, ktoré sa pohybujú obrovskou rýchlosťou asi 300 000 km/s, čo je miliónkrát rýchlejšie ako rýchlosť zvuku. Na to, aby sa šírili, nepotrebujú žiadne prostredie, šíria sa vo vzduchoprázdne, vo vesmíre (veď vidíme hviezdy, ktoré sú veľmi ďaleko), ale aj vzduchom, plynmi, tuhými látkami ako napríklad sklo. Niektoré prejdú dokonca aj kovom. Keď viditeľný fotón dopadne na sietnicu, vyvolá u človeka dojem záblesku. Ak dopadá do oka veľa fotónov za čas kratší ako jedna desatina sekundy, oko vníma svetlo bez blikania.
Fotóny a farby svetla
Ale prečo vidíme rôzne predmety? Veď tie sa predsa neskladajú z fotónov, ale z atómov. Atómy však môžu pohlcovať fotóny, ak ich osvetlíme, a vzápätí ich vyžiariť. Slovo vzápätí znamená čas kratší ako jedna milióntina sekundy, čo však nemusí byť vždy pravda. Každý už videl ručičky na hodinkách, ktoré sú natreté špeciálnou farbou, ktorá počas dňa absorbované fotóny vyžaruje celú noc.
Podľa toho, akej farby sú vyžarované fotóny, vnímame predmet buď ako červený, modrý, zelený, žltý… Zaujímavá je biela farba, pretože biele fotóny neexistujú. Biele svetlo je „zmes“ fotónov všetkých farieb. Respektíve farieb, ktoré rovnako vybudia tri rôzne druhy snímačov, ktoré máme v oku (voláme ich čapíky), kde jeden druh je citlivý najmä na modrú, druhý na zelenú a tretí na červenú farbu.
Vďaka tomu nám stačia tri rôzne farby fotónov na vybudenie dojmu ľubovoľnej farby svetla. Napríklad, ak do oka dopadajú iba červené a zelené fotóny, vnímame rovnakú farbu, ako keď do oka dopadajú len žlté fotóny. To sa využíva pri prenose obrazu v televízii.
Aby sme niečo počuli na diaľku rýchlo a dobre
Zvuk sa šíri pomaly a vo vzduchoprázdne sa nešíri vôbec. Preto ho musíme zakódovať napríklad do počtu fotónov. Ak je zvuk silný (silné bubnovanie molekúl na bubienok), pošleme veľa fotónov, ak je slabý, pošleme málo fotónov. Na to slúži zariadenie, ktoré sa volá mikrofón. Ak chceme zvuk počuť, musíme počet fotónov premeniť znova na zvuk. Na to slúži reproduktor. Samozrejme, potrebujeme ešte zariadenie, ktoré pošle fotóny tým správnym smerom, a prijímač, ktorý fotóny prijme. Takto sa dohovárali kozmonauti na Mesiaci a takto komunikujeme cez telefón aj my.
Prenos obrazu je komplikovanejší ako prenos zvuku
Prenos obrazu na diaľku by mal byť jednoduchší, pretože môžeme poslať na diaľku priamo fotóny. Takýto prenos sa v prírode realizuje, každý už počul o fatamorgáne, keď sa obraz prenáša na veľkú vzdialenosť vďaka zrkadleniu v atmosfére. Prenos obrazu je však oveľa komplikovanejší a náročnejší ako prenos zvuku. Obraz sa totiž skladá z viacerých bodov, a preto potrebujeme mnoho fotónových snímačov, ktorých počet určuje kvalitu obrazu. Ich počet sa udáva ako počet pixelov fotoaparátu či kamery, ľudské oko ich má asi 130 miliónov. Ak chceme zachytiť pohybujúci sa obraz, musíme rýchlo spočítať", koľko fotónov zachytil každý snímač, a to až 25–krát za sekundu. To kladie veľké nároky na rýchlosť zariadení snímajúcich obraz.
Využitie fotónov? Aj na zapisovanie CD a DVD
Princíp prenosu zvuku, obrazu či digitálnej informácie (internet) na veľké vzdialenosti je však stále rovnaký. Sprostredkovávajú ho fotóny, ktoré sa šíria obrovskou rýchlosťou priestorom, nikdy sa nezastavia a nikdy nespomalia. Môžu len zaniknúť alebo vzniknúť, ako to je pri pohltení fotónu atómom a jeho následnom vyžiarení. Okrem toho sa využívajú na mnoho ďalších vecí. Používajú sa na zapisovanie a čítanie CD a DVD diskov, na zameriavanie ciest a diaľnic alebo na vytvorenie zážitku, akým je laserová šou.
Doc. RNDr. Miroslav Grajcar, DrSc. (1966)
Je absolventom Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave. Na pôde tejto univerzity pôsobí ako docent dodnes. Okrem iného prednáša študentom aj predmety vlny a optika. Venuje sa tiež výskumu kvantových bitov, ktoré by mohli byť použité na konštrukciu supervýkonných kvantových počítačov budúcnosti. Na Detskej univerzite Komenského v Bratislave prednášal mladým poslucháčom o tom, akým spôsobom sa prenáša obraz a zvuk. „Je zaujímavé, že aj keď klasické zariadenia na prenos zvuku ako telefón a vysielačka nepoužívajú svetlo na prenos zvuku, vynálezca telefónu Bell považoval za svoj najväčší vynález práve fotofón – zariadenie na prenos zvuku pomocou svetla. Týmto vynálezom, ktorý urobil v roku 1880, predbehol dobu o takmer 100 rokov, pretože až v súčasnosti sa začína svetlo používať na prenos zvuku, obrazu a digitálneho signálu cez optické káble“.
Článok vznikol na základe prednášky uskutočnenej v rámci projektu Detská univerzita Komenského. Vydavateľstvo PEREX z každého ukončeného ročníka vydáva zborník vo forme pestro ilustrovanej knižky sumarizujúcej obsah prednášok z daného ročníka. Knižka z prvého ročníka (2003) je už vypredaná, vydania z ročníkov 2004, 2005, 2006, 2007 a 2008 si môžete objednať za cenu 5€ (151 Sk) + poštovné na tel. čísle 02/4959 6270 od 8. do 14. hodiny, alebo emailom na adrese predplatne@pravda.sk.