Кто вы? - Петрович Николай Тимофеевич - Страница 12

Более того, уравнения позволили предсказать скорость распространения этих существовавших только на бумаге и в воображении ученого волн. Она оказалась весьма близкой к уже известной скорости света. Наконец, эти же уравнения вскрывали тайну световых лучей. Из них следовала электромагнитная природа света.

Кто же этот первооткрыватель радиомира? Это английский ученый Джемс Клерк Максвелл.

Спустя 15 лет существование радиоволн было подтверждено опытами, проведенными выдающимся немецким физиком Генрихом Герцем. Но сам он, как ни странно, не верил в будущее радиоволн. И понадобился гений Александра Степановича Попова, чтобы использовать волны Максвелла для передачи информации. Это случилось еще 8 лет спустя после опытов Герца — в 1895 году.

Полученные столетие назад уравнения, носящие название уравнений Максвелла, еще и сегодня являются стандартным аппаратом для анализа электромагнитных явлений в любых заданных условиях. Лучшими стихами на памятнике Максвеллу были бы… эти уравнения.

Чем же определяется предельная дальность распространения колебаний в среде?

Теоретически всякое колебание, раз возникнув в среде, распространяется в ней беспредельно, точнее, «достигает бесконечно удаленных точек с бесконечно малой амплитудой». Но из опыта мы знаем, что для всякого колебания (звукового, светового, радио) имеется предельное расстояние, за которым обнаружить его не удается.

В чем же дело? Не шутит ли с нами теория?

Ответ на этот вопрос читатель найдет в следующей главе.

Итак,

а) в природе наблюдаются колебательные движения с частотами очень широкого диапазона — от ничтожных долей периода до миллиардов миллиардов периодов в секунду. Свойства этих колебаний различны и определяются их частотой. Принципиальная особенность колебательных движений — способность распространяться в окружающей среде;

б) обитатели Земли («в упорном труде») изучили многие свойства этих колебаний, научились генерировать, излучать и принимать эти колебания в удаленных от источника точках.

Теперь уместно поставить два вопроса. Какие колебания способны уйти навсегда за пределы Земли и стать вестниками нашей цивилизации? Какие колебания могут прийти к нам из космоса и принести весть от обитателей иных миров?

Сразу нужно исключить из рассмотрения все неэлектромагнитные колебания (механические, звуковые, ультразвуковые), которые могут распространяться только в средах типа воздух, вода, металл и быстро в них затухают. Из электромагнитных колебаний также далеко не все могут быть использованы для межзвездной связи.

Наша планета совершает свой путь по холодному космическому пространству в могучих тройных доспехах.

Первая — самая тонкая — броня поднимается над поверхностью на 20 километров и именуется тропосферой. Вторая — в четыре раза толще — это стратосфера. И наконец, самая мощная броня, составляющая сотни километров, — ионосфера.

Только благодаря этим доспехам нам на голову не падают бесчисленные метеориты: они сгорают в атмосфере. Только благодаря этому панцирю на Земле есть люди, животные, деревья, розы… Это он поглощает сильное рентгеновское и ультрафиолетовое излучения, приходящие к нам из космоса, и защищает все живое.

Но в этих доспехах есть две щели. Через одну свободно проникают радиоволны, через другую свет. Эти два «окна» и соединяют нас со вселенной. Через световое окно поступает солнечный свет и свет звезд. Этим окном пользуются астрономы. Их инструменты — глаз, бинокль, телескоп, фотоаппарат и др.

Через радиоокно к нам поступает невидимое глазом излучение небесных тел. Благодаря ему и возникла радиоастрономия. Инструменты здесь — радиотелескопы, радиоприемники, осциллографы и т. д.

Радиоастрономия — молодая ветка на древнем дереве астрономии. Правда, на нем в последнее время появились и совсем молодые побеги — рентгеновский, ультрафиолетовый, инфракрасный, нейтринный.

Эти направления связаны с выносом приборов для наблюдения за пределы трех панцирных оболочек Земли. Поэтому не будем растекаться мыслью по этому древу, а вернемся к нашим щелям.

В радиоокно проникают колебания далеко не всего радиодиапазона. Длинные волны, порядка одной-десяти тысяч метров (λ = 10 000–1000 метров), распространяются вдоль земной поверхности и хорошо ее огибают. Но в космос они не могут пробиться. Кроме того, они сильно поглощаются земной поверхностью и быстро затухают. Для связи с небесными телами такие радиоволны явно не подходят.

Средние (λ = 1000–100 метров) и короткие (λ = 100–10 метров) волны в большинстве случаев не могут преодолеть третий панцирь — ионосферу. Под действием поступающих извне ультрафиолетовых лучей происходит ионизация верхних слоев атмосферы. Суть этого процесса состоит в отрыве одного или нескольких электронов от атомов газа. Потеряв электроны, атомы превращаются в положительно заряженные ионы. Степень ионизации измеряют числом свободных, то есть оторванных от атомов, электронов. Их число в одном кубическом сантиметре ионосферы доходит до миллиона! Эта столь многочисленная воинственная армия хаотически движущихся свободных электронов создает непреодолимую электрическую броню. Она отталкивает волны этого диапазона обратно на Землю.

Однако против волн порядка 10 метров и короче эта грозная броня оказывается бессильной. Они свободно ее пронзают и покидают Землю. В чем тут секрет? Его можно раскрыть, наблюдая массовый танец электронов в ионосфере при вторжении волны. Да, да — именно танец. Пока длина волны больше 10 метров, эти воинственные танцоры успевают плясать ритмично с гармонически извивающейся приходящей волной. Каждый танцор имеет заряд. Ритмичное движение этих зарядов создает в ионосфере свое электромагнитное поле; его называют противополем. Взаимодействие приходящего поля и противополя приводит к отражению радиоволн. При более высоких частотах, или волнах менее 10 метров, ритм танца становится для исполнителей бешеным: ведь это десятки миллионов па в секунду! Даже электроны оказываются для этого слишком неуклюжими. Они задыхаются и прекращают танец. Противополе исчезает. Волны свободно уходят в космос. Однако и для таких ультракоротких волн природа воздвигла серьезный барьер. Оказалось, что верхнюю границу этим волнам создает неожиданно нижний слой брони — тропосфера. При длине волны порядка одного сантиметра тропосфера сильно поглощает радиоволны, и они уже не достигают ионосферы. При этом основным поглотителем являются капли влаги, водяные пары, снежинки и т. п.

Следовательно, земляне имеют значительное радиоокно в космос. Грубо говоря, его протяженность от 10 метров до десятых долей сантиметра.

Заметим, что световое окно имеет меньшую ширину. Оно пропускает световые волны длиной от 0,4 до 0,75 микрона.

Выбор наиболее выгодных волн в радиоокне для межзвездной связи мы рассмотрим ниже. Отметим только тот факт, что радиоокно, как и световое, одинаково хорошо прозрачно в обе стороны. Так же, как днем окно пропускает в комнату лучи Солнца «извне», так ночью яркий свет электрической лампочки в комнате льет свет через окно «вовне». Поэтому все электромагнитные колебания, которые проходят к нам через броню, могут быть использованы нами и для подачи сигналов в космос.

Обратимся ко второй щели — световой. Через это световое окно уже миллиарды лет льется на Землю даровая энергия Солнца. Она и в каменном угле и нефти, она в сирени и ландыше; она в птахе и в человеке.

Этот поток настолько могуч, что глазом уловить днем слабые световые потоки других светил невозможно. Правда, был один период в истории Земли, когда ее обитатели могли любоваться и Солнцем и вновь вспыхнувшей звездой одновременно. Он отмечен в древних летописях (см. ниже).