Сигналы из мирового простанства | ТМ 1938-04

Я. ПЕРЕЛЬМАН

Сможет ли пилот будущего ракетного корабля, залетев далеко в мировое пространство, держать связь с Землей с помощью сигналов? Удастся ли ему сигнализировать на Землю хотя бы о месте своего пребывания? Такие вопросы занимают многих, интересующихся проблемой межпланетных путешествий. В этой статье мы рассматриваем подобные возможности.

Естественно, напрашивается мысль, что, находясь в мировом пространстве, можно будет связаться с Землей с помощью радио, как делают стратонавты при высотных подъемах. Ведь радиоволны свободно распространяются в безвоздушном пространстве. Однако в нашем случае на радио возлагать надежд не приходится. Земной шар окружен так называемым «слоем Хевисайда» — атмосферным слоем, простирающимся на значительной высоте. Слой Хевисайда обладает электропроводностью и поэтому, подобно металлическому слою, является преградой для электроволн. Он непроницаем для радиоволн, длина которых больше нескольких сот метров. Короткие же волны, при современных средствах их получения, не обладают достаточной мощностью, чтобы служить для межпланетной сигнализации.

Остается воспользоваться другим средством беспроводной связи — световой сигнализацией. Конечно, нельзя взять с собой на борт звездолета такой сильный источник света, который виден был бы с Земли хотя бы на расстоянии Луны; это непомерно утяжелило бы ракетный корабль. Но можно обойтись и без искусственного источника света, если воспользоваться отраженным светом Солнца. Другими словами, можно прибегнуть к услугам солнечного телеграфа, которым пользуются для войсковой связи. В военной практике с помощью несложного прибора — гелиографа — передают световые сигналы на расстояние до 150 км. Солнечный «зайчик» отбрасывают при этом зеркалом в четверть метра поперечником. Каких же размеров должно быть зеркало для межпланетной сигнализации, когда придется посылать солнечный «зайчик» на расстояние сотен тысяч километров?

С первого взгляда может показаться, что для такой сигнализации нужны будут неимоверно крупные зеркала; взять же с собой в полет исполинское зеркало не менее трудно, чем нести на борту звездолета мощный источник искусственного света. Здесь, однако, нас ждет приятная неожиданность: оказывается, что для сигнализации из мирового пространства вовсе нет надобности располагать огромным зеркалом.

Если читатели проследят за приведенным далее довольно несложным расчетом, они убедятся, что для отбрасывания солнечного света на расстояние тыс. км, которое равно примерно расстоянию Луны от Земли, пригодно плоское зеркало даже в один метр поперечником! Всего удивительнее здесь, пожалуй, то, что подобный световой сигнал может быть замечен на Земле невооруженным глазом! Результат настолько неожиданный, что стоит проследить за вычислением.

Вероятно, многим читателям известно, что плоские зеркала отражают лучи так, что они составляют изображение предмета только в глазу, которому кажется, будто лучи исходят из предмета, расположенного как бы за зеркалом. Начнем расчет с такой простой задачи: какой высоты должно быть висящее на стене плоское зеркало, чтобы можно было видеть себя в нем во весь рост? Ответ нетрудно дать, если посмотреть на рис. 1. Из подобия образовавшихся треугольников следует, что так как aC=Aa, то высота ab зеркала может быть вдвое меньше высоты изображения СД, т. е. вдвое меньше роста фигуры АВ.

Рис. 1

Теперь мы подготовлены к тому, чтобы справиться с сходной задачей в астрономической обстановке: какой величины должно быть плоское зеркало, помещенное на орбите Луны, чтобы можно было с Земли увидеть в нем полностью отраженный диск Солнца. Из подобия образовавшихся треугольников (рис. 2) легко вывести, что поперечник ab небесного зеркала может быть во столько раз меньше поперечника Солнца во сколько раз расстояние \(Ta\) зеркала от Земли \(T\) меньше расстояния \(TS'\) изображения Солнца от Земли:

\(\frac{ab}S=\frac{Ta}{TS'}\).

Расстояния \(Ta\) и \(TS'\) нам известны: первое — радиус лунной орбиты, второе можно принять равным расстоянию Земли от Солнца ( \(ST\) ). Мы знаем, что Солнце примерно в 400 раз дальше от Земли, чем Луна; следовательно,

\(\frac{Ta}{TS'}=\frac1{400}\) и \(\frac{ab}S=\frac1{400}\).

Рис. 2

Так как поперечник Солнца равен, круглым числом, 1400 тыс. км, то зеркало должно иметь в поперечнике около

\(\frac{1400000}{400}=3500\) км.

Мы узнали, что если бы на расстоянии Луны помещалось плоское зеркало поперечником в 3500 км, то (при надлежащем угле поворота зеркала) мы могли бы в нем видеть с Земли целиком диск Солнца. Примем ради простоты, что зеркало наше отражает все лучи Солнца полностью. Такое идеальное зеркало сияло бы на небе, как подлинное Солнце, правда, только для тех наблюдателей, в глаза которых попадал бы отбрасываемый зеркалом ослепительный «зайчик».

Для целей сигнализации нам, однако, нет нужды пользоваться столь ярким «зайчиком». Мы можем довольствоваться гораздо меньшим количеством света, а следовательно, и гораздо меньшим зеркалом. Рассчитаем же, во сколько раз допустимо уменьшить поверхность нашего огромного (величиною с Луну!) зеркала, чтобы отраженный им солнечный свет был еще достаточен для сигнализации на Землю. Удовлетворимся светом самой слабой звездочки, видимой невооруженным глазом, именно звезды так называемой 6-й величины. Солнце освещает Землю в 10 биллионов раз сильнее, нежели такая звезда (под биллионом мы разумеем здесь миллион миллионов). Поэтому, если уменьшить площадь зеркала в 10 биллионов раз, то получится размер зеркала, способного, находясь на расстоянии Луны, отражать на Землю столько солнечного света, сколько можно еще уловить простым глазом.

Геометрия учит, что для уменьшения площади фигуры в 4 раза надо уменьшить ее поперечник в 2 раза, для уменьшения площади в 25 раз надо поперечник фигуры уменьшить в 5 раз и т. д. Чтобы уменьшить площадь нашего зеркала в 10 биллионов раз, нужно поперечник его укоротить в 3 с небольшим миллиона раз. Разделив же 3500 км, или 3500 тыс. м, на 3 с лишним миллиона, получим в итоге немного более 1 м.

Вычисление окончено. Оно подтверждает, что если на расстоянии, равном расстоянию Луны от Земли, поместить плоское зеркало, поперечник которого равен всего 1 м, то отбрасываемый им солнечный «зайчик» можно было бы заметить на ночном небе Земли в виде звездочки 6-й величины. Иметь на звездолете зеркало подобных размеров, конечно, вполне возможно.

Это, однако, еще не устраняет всех трудностей, связанных с подобной сигнализацией из мирового пространства. Необходимо направить световой «зайчик» в точности на Землю; это не столь простое дело, так как ошибка в 1—2 градуса достаточна, чтобы тонкий пучок лучей скользнул уже мимо нашей планеты, и, следовательно, цель не будет достигнута. Мы указали на трудность, которую встретит отправитель сигналов. Для приемной станции на Земле будет существовать другое затруднение: не так легко среди множества мелких звездочек на ночном небе уловить сигналы с звездолета. Она, правда, будет отличаться от всех прочих звезд своим перемежающимся светом, длинные и короткие вспышки которого будут соответствовать черточкам и точкам телеграфной азбуки Морзе. Но все же наблюдатель с Земли должен по маршруту звездолета точно знать, в каком участке неба надо в данный момент искать сигнализирующее зеркало, иначе ему сигналов не принять.

Если с этими практическими трудностями удастся успешно справиться, то межпланетный путешественник сможет из глубин мирового пространства послать о себе весть на Землю. Возможно будет установить и двустороннюю связь, т. е. посылать с ночной половины Земли ответные сигналы, пользуясь сильным источником искусственного света. Уже теперь существуют на земном шаре авиационные маяки, свет которых мог бы быть замечен с Луны невооруженным глазом.

Солнечный телеграф пригоден не только для сигнализации на Землю с лунной орбиты, он сможет действовать и из гораздо более отдаленных мест солнечной системы, например с ближайших точек орбиты Марса (расстояние около 70—80 млн. км). Если повторить для этого случая проделанный нами ранее расчет, то окажется, что солнечный свет, отбрасываемый при указанных условиях зеркалом в 1 м диаметром, мог бы быть замечен на Земле, как звездочка 14-й величины. Такие звезды невооруженным глазом не видимы, но они видны в сильный телескоп. Поэтому теоретически сигнализация помощью такого зеркала возможна, но практические затруднения в этом случае несравненно значительнее, нежели при сигнализации с лунной орбиты.

Но все же есть полное основание надеяться, что будущий межпланетный путешественник во время своих странствований — и прежде всего при полете на Луну — не окажется полностью отрезанным от Земли. Он сможет держать с нею связь, пользуясь солнечным светом и сравнительно небольшим зеркалом, укрепленным снаружи звездолета (рис. 3).

Рис. 3