Чтение онлайн

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 ( = 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 ( = 1000–100 метров) и короткие ( = 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).

Но вот окончен трудовой день могучего светила. Лучи его гаснут, и зажигается несметное число других далеких солнц на небе.

С незапамятных времен и до наших дней световое окно работало в режиме «извне». В прошлом веке были, правда, проекты подать световые сигналы возможным обитателям Луны и Марса. Так, великий математик Гаусс предложил вырубить в сибирской тайге гигантский треугольник и засеять его пшеницей. Венский астроном Литтров предлагал прорыть в Сахаре огромные каналы, изображающие собой геометрические фигуры длиной в десятки километров. Каналы эти заполнить водой, а ночью наливать поверх воды керосин и поджигать его. Во Франции предложили соорудить гигантское зеркало и пускать им солнечные «зайчики» в сторону Марса. Лучших решений в ту пору и не могло быть.

Сегодня у нас есть возможность направить мощный импульс света в окно и начать работу в режиме «вовне». Земляне изобрели свое управляемое солнце.

Его краткая биография дана в следующем разделе.

Имя этого солнца — лазер (по первым буквам полного английского названия: «Lightamplification by stimulated emission of radiation» — «Усиление света путем вынужденного излучения»).

Лазер — это генератор света, генератор световых электромагнитных колебаний. Но что же в нем особенного и чем его свет отличается от луча прожектора?

Для уяснения сущности лазера придется вспомнить, что такое свет, как он возникает и как человек создал свое земное солнце.

Даже для схематичного ответа на эти вопросы мы вынуждены обратиться к модели атома. Электроны, вращаясь вокруг ядра, могут находиться только на орбитах, расстояние которых от ядра строго фиксировано. Переход их с одной орбиты на другую всегда связан со скачком в пространстве. Величины этих скачков различны у различных атомов. Чем на более далекой от ядра орбите вращается электрон, тем большей энергией он обладает. Каждой орбите соответствует, таким образом, определенный энергетический уровень электрона.

Под действием внешних сил, например при столкновении с другими атомами, электрон может переходить с одного уровня на другой. Но при этом не должен нарушаться закон сохранения энергии, справедливый и для микромира. При переходе на более высокий энергетический уровень электрон должен получить энергию, равную разности энергий этих уровней. При переходе на более близкий к ядру уровень электрон должен отдать энергию, опять-таки равную разности энергий этих уровней.

Электрон, как и все материальные тела, стремится занять положение с минимальным энергетическим потенциалом, то есть перейти на орбиты, близкие к ядру подобно тому как брошенный вверх камень падает вниз или вода стекает в более низкое место.

Внимание, читатель! Мы подходим к тайнику, который с большим трудом удалось открыть блестящим мыслителям Земли — Планку, Эйнштейну и Бору: отдавать свою энергию электрон, «прыгающий» на более близкую к ядру орбиту, может только в виде излучаемых им электромагнитных колебаний. Как просто! Частота этих колебаний или длина волны излучаемых волн зависит только от разницы этих уровней и не зависит от структуры атома.