О чем рассказывает свет

Величие задачи и роль света в ее решении

Освоение человеком космоса стало актуальной проблемой современности. Советский Союз выступает пионером этого освоения. Со времени запуска первого в мире спутника Земли прошло только пять лет. Это короткий срок и для жизни одного поколения. А за этот срок в деле освоения космоса достигнуты изумительные успехи. Значительно продвинуто вперед исследование околоземного космического пространства, физических условий в нем. В вечное путешествие вокруг Солнца отправилась первая искусственная планета с советским государственным гербом. Первый предмет земного происхождения — советский вымпел — доставлен на Луну. Сфотографирована и впервые стала известной человечеству обратная сторона Луны. Затем побывали в космосе и вернулись на Землю невредимыми животные организмы, в том числе собаки. Наконец, в космос впервые отправились и в полном благополучии вернулись на Землю люди — сначала Гагарин и Титов, а потом в групповом многодневном полете — Николаев и Попович, Быковский и Терешкова.

Освоение космоса, полеты к Венере и Марсу — это очень важная, научно-техническая проблема. Это — начало новой эры научно-технического развития, когда человек, прорвавшись сквозь земную атмосферу и преодолев земное тяготение, получает более широкие возможности исследования, а в будущем и использования, неограниченных энергетических ресурсов Вселенной. Задача освоения космоса не случайно стала реальной именно в наше время, ибо она возможна лишь на базе определенных социальных и научно-технических достижений. Нет другого такого научно-технического предприятия, в котором бы так тесно сливались воедино и целеустремленный план и организация его выполнения, и высокий научно-технический и промышленный уровень страны, и непревзойденная квалификация ее рабочих, инженерных и научных кадров. И это ясно всем, как ясны и гигантские масштабы вовлеченных в это предприятие заводов, научных институтов, людей и средств.

С другой стороны, нет другого такого научно-технического предприятия, выполняемого в целях общего прогресса человечества, за результатами которого с глубоким волнением и полным пониманием величия совершаемого могли бы одновременно следить сотни миллионов людей во всем мире. Именно поэтому в их сознание неизбежно и все глубже проникает идея о том, что социалистический строй является носителем научного и социального прогресса.

Но не ушел ли автор от своей темы о свете? Нет, не ушел.

В освоении космоса человек использовал особые свойства света, его способность распространяться в пустоте, передавать сигналы и энергию через огромные пространства. В силу своих необыкновенных свойств свет играет исключительную роль в освоении космоса.

Напомним кратко о тех проблемах, которые встали перед исследователями космоса.

Опасности в космосе и информация

Мы находимся на дне воздушного океана, разлитого над Землей. Атмосфера не только дает нам необходимый для жизни кислород и влагу; она защищает нас и от многих опасностей, например, от ультрафиолетового излучения Солнца, от метеоров. Прежде чем выйти за ее пределы, нужно было исследовать, какие опасности ждут космонавтов и как от них защититься, каковы вообще свойства космического пространства, можно ли установить связь с космическим кораблем и т. д.

Поэтому прежде чем послать в космос человека, космические корабли-спутники понесли в себе различные приборы. С их помощью требовалось выяснить многие вопросы. Какова опасность попадания в космический корабль метеоров, разрушающих герметическую оболочку корабля, и микрометеоров, разрушающих поверхности линз оптических приборов, различных датчиков и т. п.? Велика ли и опасна ли концентрация в космических лучах частиц высоких энергий? Не может ли космический корабль встретить на своем пути мощные потоки электронов, способных вызвать в материале корабля опасное рентгеновское излучение? Какова интенсивность и вариация интенсивности первичных космических лучей? Какова концентрация газовой и твердой компоненты межпланетного вещества? Наконец, каковы магнитные поля вокруг Земли и возможные поля в космосе и каково их влияние на связь корабля с Землей? Ученых интересовали и многие другие вопросы.

Показания приборов надо было привязывать к определенным моментам времени и пунктам траектории полета. На возврат приборов нельзя было надеяться. Поэтому эти показания, вместе с координатами корабля сразу же передавались на Землю при помощи радиосигналов и здесь автоматически фиксировались. Вот тут-то и была использована возможность модуляции света и, следовательно, его способность переносить сигналы, а также его способность проходить через огромные пространства в пустоте.

Подобные исследования дали важные результаты. Выяснилось, что метеорная опасность ничтожно мала и не может служить препятствием для полетов человека в космос. Но зато установлено, что вокруг Земли простирается на 7—8 земных радиусов пояс повышенной радиации (три зоны); этот пояс радиации представляет известную опасность и требует специальных мер защиты космонавта. Установлено также, что пояс радиации над полюсами Земли сходит на нет. Были получены и другие данные о свойствах космоса. Так обеспечивается безопасность полета космонавтов.

Но свет информирует не только о физических свойствах космического пространства, он сообщает и о том, что делается внутри корабля — какие в нем температура, давление, влажность, радиация. Более того, когда на борту корабля путешествовали собаки, специальные датчики контролировали температуру их тела, биение сердца, их поведение в условиях ускорительных перегрузок и невесомости, течение в этих условиях всех физиологических процессов и отправлений (дыхание, движение, питание, сон и т. п.). Вся эта информация передавалась по радио и телевидению на Землю и здесь фиксировалась. Она была необходима, чтобы точно знать, как будут чувствовать себя будущие космонавты. Такой же метод объективного контроля применялся и к самим космонавтам: в столь серьезных научных вопросах на субъективную информацию полагаться нельзя. Кроме того, эта информация должна быть своевременной для принятия необходимых мер.

Свет позволил провести все опыты в космосе так, как будто дело шло об обычном опыте, который ставит физик или физиолог в своей лаборатории.

Научная документация прилунения вымпела

Этому разделу можно было бы дать еще и дополнительное название: «Как были посрамлены некоторые антисоветские пропагандисты».

Как известно, 12 сентября 1959 года была запущена вторая советская космическая ракета; она доставила на Луну вымпел с советским-государственным гербом. Этот вымпел достиг Луны в 00 часов 02 минуты 24 секунды московского времени 14 сентября. Весь мир аплодировал новому выдающемуся успеху советской науки и техники. Но нашлись люди (некоторые из них занимали в то время высокие государственные посты в США), которым пришелся не по душе рост авторитета Советского государства. Они пытались посеять сомнения в том, что советский вымпел действительно доставлен на Луну; реальные достижения советской науки и техники они хотели представить как обман общественного мнения со стороны коммунистов.

Однако оказалось, что советские ученые имеют документальное доказательство того, что вымпел был действительно доставлен на Луну. В контейнере космической ракеты был помещен лунный радиоальтиметр. В непосредственной близости к Луне этот прибор стал посылать на Луну радиоимпульсы и регистрировать ответное радиоэхо. Это давало возможность определить расстояние ракеты до Луны практически в моменты посылки радиоимпульсов. Легко сообразить, что оно равнялось скорости радиосигнала (скорости света), умноженной на половину временного промежутка между моментом посылки импульса и регистрации ответного эха. Вся эта информация передавалась (опять-таки по радио!) на частоте 183,6 мегагерц на Землю, где и регистрировалась автоматически. Эта регистрация документально подтверждает, как в полном соответствии с законом падения уменьшалось расстояние до Луны и как оно стало равным нулю именно в тот момент, когда координаты космической ракеты совпали с координатами точки падения ракеты на Луне. Эти документы непреходящи, их всегда можно продемонстрировать как нашему поколению, так и потомству.

Советские ученые получили документальное свидетельство и от своих английских коллег, следивших за полетом ракеты. Особенно ценно то, что оно было основано на совершенно иных закономерностях радио-излучений, а именно па уже известном нам явлении изменения частоты излучения при движении излучателя (принцип Допплера — Белопольското). Вот что телеграфировал в Москву в 1959 году директор английской обсерватории Джодрелл-Бэнк известный астрофизик профессор А. Ч. Б. Ловелл: «...Мы без труда обнаружили ракету в точно указанном месте. Во время приближения второго «лунника» к Луне нам удалось определить изменение частоты сигналов, вызванное «эффектом Допплера», по мере того, как «лунник» убыстрял свое движение под действием притяжения Луны. Легко себе представить, какой это был волнующий момент, когда сигналы неожиданно прекратились (а это значило — ракета «прилунилась») и здание Джодрелл-Бэнк осадили корреспонденты газет и радио всех стран! Результаты наших наблюдений были немедленно пересланы в Москву, а вскоре их опубликовал также научный журнал «Нейчур». Мы были, вероятно, единственными людьми за пределами СССР, регистрировавшими это эпохальное событие. Но снова раздались голоса неверящих. Несмотря на то что в момент прекращения сигналов наш радиотелескоп был точно направлен на Луну, они утверждали, что передатчики могли быть выключены еще на Земле с помощью часового механизма, чтобы симулировать «прилунение» ракеты. К счастью, полученные нами данные об ускорении «лунника» перед столкновением с Луной сделали все сомнения беспочвенными, и скептикам пришлось замолчать. Вот поистине прекрасный пример сотрудничества, значение которого выходит далеко за пределы чисто научной области!» Мы можем присоединиться к выводу профессора Ловелла.

Так были посрамлены «скептики». Они, видимо, не ожидали, что наука в состоянии документально зарегистрировать объективное событие, хотя бы оно и происходило на расстоянии более 300 тысяч километров от Земли.

Свет и телеуправление

Свет не только доставляет подробную информацию о состоянии области пролета космического корабля и внутри самого корабля. Он позволяет решить и проблему управления самим кораблем или же процессами, в нем происходящими. Эта особенность ярко проявилась при полете третьей советской космической ракеты, запущенной 4 октября 1959 года.

При запуске этой ракеты была поставлена задача сфотографировать обратную сторону Луны. Эта сторона Луны никогда не поворачивается к Земле и потому до сих пор была неизвестна людям. Последняя ступень посланной ракеты имела специально оборудованную автоматическую межпланетную станцию. Траектория полета станции была сложной; станция должна была облететь Луну «снизу вверх» и с того же направления (относительно места запуска) вернуться к Земле, проделав таким образом петлю вокруг Луны[4]. В этой книжке, посвященной свету, мы остановимся только на одной проблеме: на телеуправлении.

Прежде всего, задача состояла в том, чтобы при облете Луны с ее обратной стороны автоматическая межпланетная станция ориентировалась в пространстве: надо было, чтобы объективы ее фотоаппаратов повернулись к Луне в то время, когда станция находилась на линии Солнце — Луна. Эта ориентация достигалась двумя этапами. Сначала специальные солнечные датчики ориентировали станцию на Солнце. Система ориентации прекратила кувыркание станции, и в то время как солнечные датчики были направлены на Солнце, закрытые фотообъективы, находящиеся на противоположном конце контейнера, были направлены на Луну. Затем система ориентации на Солнце отключилась и специальная оптическая ориентация, реагирующая на лунный свет, уточнила наведение объективов на Луну. Этот момент был заранее выбран так, чтобы Земля в это время находилась в стороне от линии Солнце — Луна и отраженный от нее свет не мешал окончательному уточнению ориентации объективов на Луну.

После того как ориентация была окончательно уточнена и станция поднялась над противоположной стороной Луны настолько, что фотообъектив мог обозреть наибольшую ее площадь, с Земли по радио был дан приказ включить систему фотографирования.

Фотографирование длилось в течение сорока минут. Все это время система ориентации направляла фотообъективы на Луну. Затем, когда фотографирование было закончено, а изображения были автоматически проявлены и закреплены, и когда станция уже вновь приближалась к Земле, с Земли был послан новый приказ. По этому приказу начала работать телевизионная передача фотографий Луны на Землю, где она и фиксировалась.

В этой сложной, точно согласованной работе свет в широком смысле слова играл решающую роль. Свет питал энергией аппаратуру (солнечные батареи). Свет ориентировал станцию сначала по Солнцу, а затем по Луне (солнечные и лунные датчики системы ориентации). Свет, отраженный от противоположной стороны Луны, оказал химическое действие на зерна фотопленки, которое и было зафиксировано. Так был запечатлен образ Луны (фотографирование). С помощью света люди на Земле непрерывно получали информацию о местонахождении автоматической межпланетной станции и обо всем, что на ней и вокруг нее происходит. Наконец, с помощью света в надлежащий момент с Земли был отдан приказ произвести операцию фотографирования, а также приказ передать на землю полученные результаты. И эта передача происходила опять-таки с помощью света!

Точно так же с Земли отдавались приказы другим космическим кораблям, несшим на себе приборы, затем животных и, наконец, человека. Таковы, например, были приказы об изменении траектории полета кораблей и об их спуске на Землю в назначенном месте.

Познав закономерности света, научившись модулировать его параметры, человек научился с его помощью не только познавать природу, получать информацию о происходящих в ней процессах, но и управлять ими.

Освоение космоса и световые (фотонные) ракеты

В будущем свету, возможно, придется играть и еще одну роль — роль движителя (рабочего вещества) в ракете. Пока человек осваивает космос в пределах солнечной системы, он, по-видимому, может обойтись реактивными двигателями, в которых движителем служат продукты сгорания какого-либо вещества — топлива.

Сгорая в камере реактивного двигателя, топливо образует газы, которые с большой скоростью (несколько километров в секунду) вылетают из сопла и оказывают реактивное действие на дно сопла, приводя ракету в движение. Еще К. Э. Циолковский показал, что скорость ракеты в свободном пространстве пропорциональна скорости истечения из сопла продуктов сгорания. Поэтому перед химиками и конструкторами ставится задача найти такое топливо, продукты сгорания которого, при прочих равных условиях, имели бы максимальную скорость вылета. Для освоения межзвездных пространств обычно получаемые скорости все же недостаточны.

Судя по сведениям, опубликованным в печати, в научно-технических кругах ряда стран уже возникают идеи о возможном создании в будущем фотонной ракеты.

В фотонной ракете в качестве движителя будут использованы не продукты сгорания какого-либо вещества, а поток фотонов, которые будут получаться в ракетном двигателе в процессе превращения элементарных частиц вещества в фотоны.

Согласно этой идее, предполагается использовать некоторые уже известные свойства света. Во-первых, тот факт, что свет, несмотря на свое отличие от вещества, имеет с ним и нечто общее, а именно он оказывает давление (эксперименты Лебедева) и, следовательно, обладает импульсом, как и вещество. Но любое вещество при быстром его истечении из сопла создает отдачу в силу того, что оно обладает импульсом (свойство отдачи наблюдается при выстреле, используется в реактивной турбине и в реактивном двигателе). Поэтому истечение света из сопла также должно оказывать противодействие на дно сопла, т. е. создавать отдачу.

Во-вторых, предполагается использовать и другое свойство света: генетическую связь вещества и света, иначе говоря, факт превращения элементарных частиц вещества в фотоны в сильных ядерных полях.

Но в идее фотонного двигателя учитываются также и особенности света, отличающие его от вещества и дающие фотонному двигателю известные преимущества.

8 самом деле, фотоны движутся с предельно достижимой скоростью в 300 тысяч километров в секунду. Это значит, что и космическому кораблю фотонный двигатель может сообщить максимальную скорость, приближающуюся к скорости света. Очевидно, что только с такой скоростью и возможно преодолевать огромные расстояния от одной звездной системы до другой.

Задача путешествия в другие звездные системы еще не стала актуальной, а применять фотонный двигатель в пределах солнечной системы бессмысленно. Поэтому реализация идеи о фотонном двигателе — дело далекого будущего. Да и трудностей на пути его создания еще немало; в частности, необходимо будет учитывать, что при движении фотонных ракет со скоростями, близкими к скорости света, само течение времени будет изменяться, как это следует из теории относительности.

Но трудности не остановят прогресса. Его ведет дерзновенная мысль человека, который, познав свойства света, ищет пути их использования. А исторический опыт говорит, что он всегда эти пути находит.