Текст книги "Очерки о Вселенной"

Автор книги: Борис Воронцов-Вельяминов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 36 страниц)

От подобных повреждений и убытка при столкновениях атомы не чувствуют себя хуже, однако непрерывно лелеют надежду восстановить свое нарушенное «хозяйство» и пополнить его захватом свободного электрона. Электроны же, освобожденные от своей «крепостной зависимости», называются свободными, но им постоянно угрожает новый плен, так как их отрицательный заряд притягивается положительным зарядом ионов. Горе медленно летающим свободным электронам! Их легко захватить в плен. Быстрые же электроны между тем безопасно шныряют среди ионов, и ясно, что чем реже атомное население в единице объема (чем разреженнее газ), тем легче им ускользать от плена, сохраняя свободу, и поддерживать этим высокую ионизацию газа. А чем больше частиц толчется на одном месте, тем чаще они могут и столкнуться и снова соединиться.

Рис. 17. Распределение энергии в спектре абсолютно черного тела при разных температурах и в спектре Солнца. Наклонная прерывистая линия указывает смещение максимума интенсивности с повышением температуры в сторону коротких волн

Из физики известно, что чем выше температура газа, тем быстрее носятся его частицы, тем энергичнее и чаще их столкновения и тем большая доля его атомов ионизуется. Быстрота движения частиц определяет, как часто происходят различные столкновения; основываясь на этом, теория может наперед сказать, каково будет распределение энергии вдоль непрерывного спектра при данной температуре. Лучше всего теоретически изучено излучение абсолютно черного тела, которое так называется потому, что оно способно поглощать всю падающую на него энергию. Абсолютно черное тело обладает не только наибольшей поглощающей, но и наибольшей излучательной способностью при данной температуре. Излучение нити электрической лампочки или внутренности раскаленной печи очень походит на излучение черного тела. Можно создать искусственное тело, еще более похожее на абсолютно черное тело, можно его нагреть и убедиться, как это делают физики, в том, что распределение энергии в его спектре в зависимости от температуры соответствует теории. Оказалось, что звезды и Солнце обладают почти такими же свойствами поглощения и излучения, как черное тело, и потому по распределению энергии в их спектре можно определить их температуру, о чем мы расскажем дальше. Итак, н? смущайтесь тем, что Солнце принимают за черное тело, да к тому же абсолютно черное! Черный уголь сохраняет свои свойства абсолютно черного тела и тогда, когда он раскален и ослепительно светит.

Но вернемся опять к атомам, которые можно представлять себе для наглядности как копию Солнечной системы в миниатюре. Однако электроны в атоме могут занимать лишь определенные орбиты и, в отличие от планет в Солнечной системе, могут скачками переходить с одной из них на другую. Энергия атома определяется тем, по каким орбитам движутся его электроны, причем внутренние, ближайшие к ядру орбиты соответствуют наименьшему запасу энергии.

Чтобы перевести электрон в атоме на орбиту большего радиуса, надо затратить энергию, а эту энергию ему может сообщить налетевший на него квант света или другая движущаяся частица. Чем больше энергии она ему сообщит столкновением, тем дальше от ядра окажется электрон, и при некоторой достаточно большой энергии оторвется от него совсем, т. е. улетит прочь, и атом будет ионизован.

Однако долго разгуливать по более далекой от ядра орбите попавшему на нее электрону не приходится. Неумолимый закон природы таков, что через какую-нибудь стомиллионную долю секунды электрон снова соскочит на орбиту, более близкую к ядру, и отдаст при этом в форме излучения часть своей энергии. Эта энергия равна разности энергий электрона, соответствующих внешней и внутренней орбите. Для разных атомов и для комбинации разных орбит при перескоке электрона в одном атоме эта энергия различна. Упомянутую разность энергии атом отдает в пространство в виде одной элементарной порции или кванта света, а определенной энергии кванта соответствует определенная длина волны, определенный цвет. Так, атом водорода может излучить квант красного света, квант синего света и т. д. Атом кадмия тоже может излучить квант красного света, но с несколько иной длиной волны, потому что разности энергии между разными орбитами, доступными для его электронов, несколько иные, чем в атоме водорода. Строение электронных оболочек ионизованных атомов, т. е. расположение в них орбит электронов, иное, чем у неионизованных (нейтральных атомов), поэтому и кванты, испускаемые ими, иные, чем у нейтральных атомов. Все же можно для наглядности представить так, как если бы при каждом перескоке электрона на орбиту, более близкую к ядру, издавался бы короткий звук совершенно определенного тона. Совокупность множества атомов в водородном газе (не очень плотном) излучает кванты всех величин, какие для него доступны, т. е. излучаемый водородом спектр состоит из целого ряда характерных для него отдельных длин волн, из определенных спектральных линий. То же касается атомов других химических элементов и комбинаций атомов – молекул. Отсюда получается возможность по спектру определить химический состав газа, излучающего свет, что из опытов было известно уже давно, но лишь не так давно было полностью объяснено в связи с развитием теории строения самих атомов.

Атом похож на рояль, могущий издавать только определенные звуки, только определенные ноты, тоже, кстати сказать, соответствующие определенным длинам звуковых волн. У каждого типа атомов свой набор «нот» – испускаемых им спектральных линий. Исследователь спектров не может, как настройщик, менять звучание «нот» атомов, но он может лучше, чем настройщик, замечать различие в двух почти сходных нотах и определять по ним тип своего атома – рояля. Спектры ионизованных атомов иные, чем спектры нейтральных атомов. Если же от ядра оторваны все его электроны, то атом вообще теряет способность излучать, так как у него не осталось больше электронов, которые перескакивали бы с орбиты на орбиту, и энергия его не меняется. Он как бы превращается из рояля в простую деревяшку без струн.

Рис. 18. Наиболее характерные линии поглощения в спектре Солнца. По традиции их обозначают большими и малыми латинскими буквами. Линии с и F принадлежат водороду, линия D – натрию, Е – железу, группа линий b – магнию, G – железу, титану и кальцию, Н и К – кальцию. Линии А, а и В образуются не на Солнце; они носят название теллурических и возникают в земной атмосфере. Линии А и В принадлежат земному кислороду, линия а – парам воды

Так по длинам волн линий в спектрах производится качественный спектральный анализ. Он применяется с одинаковым успехом как для небесных светил, так и в многочисленных областях земной практики: в физике, химии, геологии, биологии, медицине и металлургии.

Разреженный газ испускает свойственные ему яркие линии спектра, издает свой набор световых нот, своего рода мелодию, вследствие возбуждения его атомов столкновениями с другими частичками вещества или с фотонами. Как в мелодию могут входить аккорды, так и в линейчатый спектр атома входят так называемые мультиплеты, или серии линий, появляющихся обычно вместе. Например, такими аккордами являются пара желтых линий в спектре натрия и вся серия линий в спектре водорода. Они появляются всегда вместе, когда, по разным причинам, другие группы линий в спектре того же атома могут и отсутствовать. Однако тот же газ ведет себя иначе, если поместить за ним более горячий источник непрерывного спектра.

Будучи холоднее, он поглощает падающую на него извне энергию из области непрерывного спектра. Его атомы способны поглощать только определенные длины волн спектра, а не все. Поэтому из состава непрерывного спектра ослабляются поглощением только волны тех длин, которые атом при иных условиях сам бы стал испускать. Газ вызывает в непрерывном спектре при поглощении темные линии, в точности соответствующие по длине волны линиям, которые для него характерны при излучении. Спектр поглощения и спектр излучения атома – это как бы негатив и позитив одного и того же изображения в фотографии.

Конечно, поглотив энергию и возбудясь до состояния с большей энергией, атом, как мы уже знаем, почти мгновенно должен вернуть обратно свое приобретение. Однако квант света излучается атомом куда попало. Многочисленные атомы, получив энергию из одного определенного направления (оттуда, где находится источник непрерывного спектра), разбрасывают ее по разным направлениям. В результате, в направлении к наблюдателю, смотрящему на источник непрерывного спектра сквозь разреженный газ, дойдет не вся энергия, заключенная в этом непрерывном спектре, а лишь ее часть. В соответствующей длине волны энергия придет ослабленной, т. е. мы увидим темную линию в спектре. Описанная картина называется рассеянием света атомами.

Можно себе это представить так, что кванты, излучаемые в непрерывном спектре, представляют собой град всевозможных монет, кидаемых вам в игре стоящей вдалеке толпой. Но представьте, что между вами и толпой затесалось несколько мальчишек, которые из озорства перехватывают из этих монет, например, только пятачки и двугривенные. Поймав эти монетки, они швыряют их куда попало. Ясно, что в наборе монет, долетевшем до вас, пятачков и двугривенных будет недоставать, хотя часть их все же долетит до вас.

Чем больше поглощающих атомов на пути луча непрерывного спектра, тем больше энергии поглощается и тем темнее, или, как говорят, интенсивнее, темная линия спектра.

Действительно, чем больше мальчишек «не по правилам» ввяжется в игру с монетами, тем больший убыток в пятачках и двугривенных вы потерпите. Зная поглощательную способность атомов (зная ловкость мальчишек в поимке монет), вы можете подсчитать число поглощающих атомов (число мальчишек) на пути луча света (в летящем потоке монет). Так становится возможным уже количественный химический анализ на основании интенсивности линий в спектре поглощения.

В астрономии источниками непрерывного спектра являются раскаленные поверхности звезд и Солнца, состоящие из огромных масс ионизованного газа. Их окружают тоже раскаленные, но все же более холодные газовые атмосферы. Рассеяние света в этих атмосферах производит темные линии в спектрах звезд и Солнца. По этим линиям можно произвести качественный, а по их интенсивнсстям и количественный химический анализ атмосфер звезд и нашего Солнца.

Если вспомнить, что атмосферы звезд состоят из многих химических элементов, из многих сортов атомов, из которых каждый сорт дает свою серию линий, как бы исполняет свою мелодию, состоящую из разных аккордов, то станет ясно, насколько хорошим музыкальным критиком должен быть исследователь спектров, чтобы разобраться в какофонии спектральных линий, в основательной мешанине нот, принадлежащих разным ариям и аккордам. Бывает, что при отождествлении линий спектров звезд какая-нибудь нота и фальшивит. Тогда приходится биться, чтобы установить, какой мелодии и какому роялю (атому) она на самом деле принадлежит...

Остается рассказать, как спектры разоблачают движение небесных светил. Вспомним принцип Доплера, знакомый нам из школьной физики: если источник колебаний движется относительно нас, то длина волны этих колебаний, как они воспринимаются нами, меняется. При сближении длина волны укорачивается, а при удалении увеличивается. В случае звуковых колебаний постоянно встречающийся пример этого дает свисток мчащегося локомотива. Пока он несется к нам, звук его свистка выше и резко понижается, когда локомотив, обдав нас паром, начнет быстро удаляться.

Рис. 19. Смещение линий в спектре (поглощения) звезды 8 Андромеды (средний спектр), свидетельствующее о приближении звезды к нам со скоростью 100 км/сек. Сверху и снизу – так называемые спектры сравнения, полученные от лабораторного источника света

В случае световых Колебаний меняются длины волн в спектре. Однако даже при скоростях в сотни километров в секунду изменений цвета в спектре заметить нельзя, – так мало изменение длин волн. Лишь в «научном» анекдоте водитель автомашины может уверять, что красный свет светофора показался ему зеленым оттого, что он несся очень быстро навстречу светофору. Для этого ему пришлось бы нестись со скоростью более 60 000 км в секунду! Можно заметить лишь сдвиг линий в спектре – изменение их длины волны Δλ. Согласно принципу Доплера скорость υ движения источника относительно нас

υ=сΔλ/λ

где λ – нормальная длина волны линии спектра, а с – скорость света, равная 300 000 км/сек.

При сближении источника света и наблюдателя линии спектра смещаются к фиолетовому концу спектра и к красному концу – при их взаимном удалении.

Что все это в самом деле так, доказал около полувека назад знаменитый русский астрофизик А. А. Белопольский. В Пулковской обсерватории он установил в своей лаборатории ряд быстро вращающихся зеркал, в которых отражался источник света так, что его изображение двигалось со скоростью, приближающейся к тем скоростям движения небесных тел, при которых только и можно с уверенностью заметить сдвиг линий в спектре, согласно принципу Доплера. С тех пор сомнения в верности описанного выше принципа отпали.

Радиоизлучение и «уши» астрономов – радиотелескопы

Всякое нагретое тело испускает электромагнитные волны – ультрафиолетовые, видимые, тепловые и радиоволны, но в разной пропорции, в зависимости от свойства тела и его температуры. Мы уже говорили, что для так называемого абсолютно черного тела – идеального излучателя Планк вывел формулу, показывающую, как будет распределяться энергия в его полном спектре в зависимости от температуры.

В нагретом теле происходит хаотическое тепловое движение частиц. Кинетическая энергия, т. е. энергия движения частиц при их столкновениях, переходит в энергию электрического и магнитного поля и выход электромагнитной энергии растет с ростом быстроты движений, которой и определяется температура. Солнце, звезды и облака межзвездного разреженного газа испускают тепловое радиоизлучение, которое мы можем измерять. Но есть и другие причины радиоизлучения.

Электрически заряженная частица при перемене скорости создает переменное электромагнитное поле, т. е. излучает энергию. Перемену скорости электрона, а именно торможение, производит протон, когда он притягивает пролетающий мимо него электрон.

Мощность этого излучения крайне мала, но в газах космического пространства электронов и протонов бывает множество и в сумме они иногда дают значительное радиоизлучение. Изменение скорости электронов и протонов может происходить и под действием магнитного поля. Оно заставляет электрон двигаться по спирали, и испытываемое им при этом ускорение порождает электромагнитное излучение, в частности, радиоизлучение. Это – процесс магнитотормозного излучения, и он также встречается в Космосе, где есть магнитные поля. В случае, когда электроны несутся со скоростью, близкой к скорости света, в магнитном поле тоже возникает магнитотормозное излучение, но с гораздо большей энергией. Оно называется синхротронным по названию применяемого в ядерной физике сооружения – ускорителя частиц – синхротрона, где такое излучение впервые наблюдалось. Электроны же, скорость которых близка к скорости света, называются релятивистскими. Синхротронное излучение тоже обнаружено в Космосе. Все перечисленные выше виды радиоизлучения образуют в радиодиапазоне частот такой же непрерывный, сплошной спектр, какой наблюдается в спектральном анализе. К сожалению, сплошное радиоизлучение небесных светил не доходит до нас целиком из-за его поглощения в земной атмосфере. Точнее, радиоволны поглощаются верхними наэлектризованными слоями атмосферы, называемыми ионосферой.

Окно прозрачности в ионосфере оставляет доступными для излучения длины волн от 16-20 м до 1г/4 см. Микрорадиоволны длиною около 1 мм проходят через атмосферу уже плохо. На этот раз им мешают не наэлектризованные слои воздуха, а водяной пар в атмосфере. Такие волны примыкают к тепловым волнам, а они, как известно, поглощаются водой очень сильно. Вот через это «радиоокно» мы только и выглядываем, если хотите – прислушиваемся, к тому, что делается в радиодиапазоне за пределами земной атмосферы. Только в этом диапазоне возможна и посылка радиосигналов с Земли в Космос. С межпланетных космических кораблей за пределами земной атмосферы теперь стал возможен прием и передача радиосигналов на любых частотах, но пока космические корабли еще не могут брать с собой на борт такую мощную радиоаппаратуру и такие запасы энергопитания, которые нужны для изучения очень слабого или очень далекого космического радиоизлучения.

Частота, на которой ведется широковещательная передача, в радиоприемнике преобразуется в звуковую частоту, в шум. Когда есть много помех, эти посторонние шумы заглушают интересующий нас концерт, особенно, если он передается слабой станцией или очень издалека. И в радиоастрономии говорят о шумах. Эти шумы создаются множеством процессов в Космосе; ведь пространство между небесными телами, называемое безвоздушным, не пусто. В нем носятся заряженные электрические частицы, в нем есть магнитные поля. Шумят и наша атмосфера и даже сам радиоприемник. Бороться с этими шумами и выделять из них нужное нам радиоизлучение какого-либо небесного тела – в этом и состоит основная задача радиоастронома. С усилением чувствительности радиоприемника возрастает, вообще говоря, и шум.

Запись радиоизлучения сейчас делается автоматически при помощи самописцев. Перо прибора на движущейся бумажной ленте записывает «уровень», т. е. силу поступающего сигнала. Шум изображается зубчатой полоской, а сигнал – пиком над нею, тем белее высоким, чем сигнал сильнее. Обработка таких записей – сложное дело. В частности, приходится учитывать особенности радиоприема. Часто прибор реагирует не только на тот излучатель, на который он направлен, но и на некоторые излучатели, расположенные в стороне, хотя и с меньшей чувствительностью. Так астрономы «слушают» радио-шумы и радиоизлучение. Антенна радиотелескопа – как бы ухо астронома.

Чем больше «ухо» радиотелескопа, чем больше его антенна, тем больше энергии, идущей от далеких светил, она улавливает. Антенны радиотелескопов бывают очень различных конструкций. Больше всего похож на оптический телескоп-рефлектор радиотелескоп, имеющий главной частью такое же зеркало, но металлическое. Это гигантская чаша, в фокусе которой, где собирается излучение, помещен облучатель – небольшая антенна. От нее энергия по волноводу передается в помещение, где находится приемная аппаратура. Зеркало направляется на желаемый участок неба из этого помещения путем нажатия нужных кнопок, управляющих электрически движением телескопа. Отличие радиотелескопа от оптического телескопа состоит в том, что облака для него не помеха. Радиоволны проходят и через них. Облака не прерывают наблюдений, но как утомительны непрерывные наблюдения в течение долгой зимней ночи!

Рис. 20. Радиотелескоп обсерватории Джодрелл Бэнк (Англия) диаметром 76 м

Как известно, для того чтобы зеркало собрало лучи как можно точнее в фокус, надо, чтобы отклонения его поверхности от правильной формы не превышали длины волны принимаемого излучения. Длина световых волн меньше одного микрона, а длина радиоволн – сантиметры и метры. Поэтому зеркало радиотелескопа можно делать с гораздо меньшей точностью, чем оптическое зеркало, а изготовлять большие радиотелескопы легче. Это важно в двух отношениях.

Во-первых, они собирают больше энергии.

Во-вторых, у -больших радиотешеекбпов по сравнению с малыми разрешающая способность, т. е. возможность различить но отделшмстш два источника радиоизлучения на малом угловом расстоянии друг от друга, больше. Но разрешающая сила падает с увеличением длины волны. Однако сейчас в радиоастрономии достигают иногда точности определения положения или размера источника даже большей, чем при наилучших оптических наблюдениях. Большое сплошное зеркало весит очень много. К счастью, как известно, мелкие царапины на зеркале, если они раз в 10 меньше, чем длина волны, не мешают. Поэтому зеркало радиотелескопа, предназначенного для метровых радиоволн, может быть без вреда продырявлено отверстиями до 10 см диаметром, следовательно, можно сделать зеркало не сплошным, а в виде металлической сетки. Это облегчает его вес, облегчает изготовление и значительно уменьшает его стоимость.

Радиотелескопы с зеркалом достигли поэтому уже за немногие годы диаметра почти в сто метров(!). Но зато и весят они сотни тонн, даже если они решетчатые. Понятно, что при таких размерах радио-телескопы помещаются не в башне, а прямо на открытом месте. Чем больше и тяжелее телескоп, тем труднее его поворачивать, да еще с нужной точностью, и следить им за суточным вращением неба. Поэтому иногда идут на ограничение подвижности телескопа, устанавливая его так, что он может наблюдать небо только вблизи меридиана или даже только вблизи зенита.

Рис. 21. Радиотелескоп Аресибо с неподвижным зеркалом на острове Пуэрто-Рико

Какой сейчас радиотелескоп является самым лучшим и большим? Я на это затрудняюсь ответить.

Во-первых, все время строятся новые, все большие телескопы, и прежде чем я допишу эту книгу, прежде чем она будет издана и попадет вам в руки, положение изменится.

Во-вторых, радиотелескопы очень различны. У них разные возможности движения, некоторые велики, но изготовлены в расчете на прием только очень длинных волн, а другие более универсальны. Самое большое зеркало радиотелескопа совсем неподвижно и установлено на дне жерла потухшего вулкана на острове Пуэрто-Рико. Его диаметр достигает 300 м! Наводка его на светило, возможная только вблизи зенита, осуществляется перемещением кабины, подвешенной на тросах между мачтами на высоте 135 т.

Рис. 22. Антенна радиолокатора, с помощью которой люди крикнули Луне 'ау'

Есть радиотелескопы в виде множества согласованных друг с другом малых зеркал. В Пулковской

обсерватории радиотелескоп имеет вид дуги с концами, отстоящими друг от друга на 120 м. В СССР установлен также радиотелескоп из системы зеркал, расположенных по дуге окружности диаметром 600 м. Есть радиотелескопы (интерферометры) в виде креста со сторонами, тянущимися на сотни метров, и телескопы-антенны в виде плоской рамы с укрепленными на ней многочисленными стержнями диполями. Увидев такие гигантские сооружения, «ни на что не похожие», вы даже не догадаетесь, что это радиотелескопы. Наибольшей точности интероферометрический метод достигает тогда, когда радионаблюденргя объекта одновременно ведут два больших радиотелескопа, удаленных друг от друга... на диаметр земного шара. Большее раздвижение радиотелескопов, больший базис осуществить пока невозможно. Описанным способом удается измерять углы на небе порядка О",001 (!), что недоступно оптическим телескопам.

Итак, радиотехника тоже связывает Землю со звездным миром. Говоря словами поэта:

 «Морозной ночи тишина,

Лесной завороженный воздух,

Земля в хрусталь погружена,

С ней разговаривают звезды.

Пространств бездонных светляки,

Светила вечной сказки сказок,

Так высоки, так далеки

Над ветками берез и вязов...

Им говорит Земля про нас

И, под натянутой антенной,

Стоишь, не опуская глаз,

На очной ставке со Вселенной».

(А. Коваленков)

Осязание астрономов: радиолокатор и лазер (можно ли прощупать планеты и осветить Луну?)

Важный метод, который с каждым годом приносит нам все новые возможности, – это радиолокация – определение положения (латинское locus означает «место») предмета, отражающего радиоволны, которые мы к нему посылаем. Радиолокация развилась во время второй мировой войны, но после этого нашла свое применение и в одной из самых мирных наук – астрономии.

Как известно, при помощи радиотехнических средств можно собрать радиоволны и послать их почти параллельным пучком, как, например, вогнутое зеркало прожектора посылает узкий луч света от источника, помещенного в его фокусе. В узком пучке энергия электромагнитных волн рассеивается мало и может достигнуть удаленного объекта, имея достаточную мощность для того, чтобы отраженные лучи вернулись в пункт подачи сигнала с энергией, допускающей ее регистрацию радиоприемником. При этом радиоволны посылаются очень короткими, но мощными импульсами. Определяя направление, из которого к нам приходит сильно ослабленный рассеянием отраженный сигнал, мы узнаем положение объекта на небесном своде. Измеряя же точной аппаратурой время от момента посылки сигнала до момента прихода отраженного сигнала, мы узнаем и расстояние до предмета, так как радиоволны подобно свету распространяются со скоростью 300 000км/сек.

После радиолокации кораблей и самолетов во время войны подумали: «а почему бы не применить этот метод и к Луне?» Правда, Луна и так видна каждому, а расстояние до нее и ее видимое место на небе в любой момент давно известно из астрономических измерений и вычислений. Но было любопытно проверить это радиотехническим методом, а может быть, и уточнить, если очень точно определить время пробега радиоволны туда и обратно: оно должно быть немного более двух секунд.

Расчеты возможности радиолокации Луны были сделаны впервые в СССР еще в 1928 г. Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси (как видим, и тут нужна теория!). Для радиолокации Луны вследствие потерь энергии на таком длинном пути нужна большая мощность радиопередатчика, и осуществлен такой опыт был лишь в 1946 г. в США и Венгрии.

Увеличение мощности радиопередатчиков и чувствительности принимающей радиоаппаратуры позволило за короткий срок «коснуться» радиолучом все более далеких небесных тел. Уже в 1964 г. была осуществлена в СССР (под руководством академика В. А. Котельникова), а также в Англии и США радиолокация планет Венеры, Меркурия, Марса и, наконец, более далеких от нас Юпитера и Сатурна.

Особенно большое значение имела радиолокация Венеры, позволившая определить расстояние до нее во время наблюдений и вычислить отсюда большую полуось ее орбиты с большей точностью, чем это удавалось сделать прежде астрономическими методами. Это дало более точное знание основной нашей «измерительной линейки» – расстояния от Земли до Солнца. Оно называется астрономической единицей расстояний (сокращенно а. е.), так как в этих единицах мы измеряем все расстояния во Вселенной. И раньше астрономы точнее всего определяли расстояние до Солнца, измеряя непосредственно расстояние до какого-либо как можно более близкого к нам небесного тела.

Расстояние же от Земли до Солнца вычисляли отсюда, пользуясь тем, что большие полуоси орбит всех спутников Солнца связаны третьим законом Кеплера с периодами их обращения, определяемыми из наблюдений очень точно.

Теперь принятое значение астрономической единицы составляет 149 600 000 км.

Но возможности применения радиолокаторов оказались шире, чем просто определение расстояния между центрами Земли и планет. При достаточно узком пучке падающих радиоволн и при достаточной точности определения времени прохождения радиосигнала можно измерять расстояние до разных точек на поверхности планеты. – Тем самым можно изучить ее рельеф – высоту гор, расположение низменностей и т. д., что особенно важно для планет, поверхность которых скрыта от нас облаками, плавающими в их атмосферах.

Характер сигнала, отраженного от планеты, зависит от степени гладкости ее поверхности. Если поверхность планеты гладкая, то, отражая сходно с зеркалом в нашу сторону, она отразит радиоволны только центральной частью обращенного к нам полушария. Отраженный сигнал будет иметь всплеск. Все видимое полушарие планеты отразит волны к радиолокатору лишь тогда, когда посланная радиоволна везде упадет на склоны гор, перпендикулярные к направлению ее падения. Тогда отраженный сигнал «размажется» во времени. Так можно оценивать и сравнивать среднюю степень гладкости различных планет. Кроме этого, радиолокатор позволяет... установить вращение планет вокруг оси.

Если планета вращается (но если ее ось не направлена при этом на наблюдателя!), то один ее «край» к нам приближается, а другой удаляется. По закону Доплера длина электромагнитной волны, идущей от этих краев, должна измениться: в первом случае уменьшиться, во втором – увеличиться. Длина волны, отраженной от центра, не изменится. В результате «ширина» отраженного сигнала, как интервал длин волн, или частот, будет шире, чем ширина посланного сигнала. Сигнал «размажется» по частоте и тем больше, чем быстрее линейная скорость вращения планеты. Так можно установить линейную скорость вращения, а зная размер планеты, можно вычислить и период ее вращения. Этим способом и удалось окончательно установить крайне медленное вращение Меркурия и Венеры. Прежние способы зарисовки пятен на их поверхности и спектральные методы были ненадежны.

Наконец, радиолокатор позволяет определять расстояния до «падающих звезд» – метеоров – и их скорость. Но об этом мы поговорим позднее.

Можно ли осветить Луну? Освещать Луну в полнолуние, конечно, незачем, она и так сама нам светит. Но можно ли осветить хотя бы кусочек ее неосвещенной стороны в новолуние? Ведь до Луны далековато? Оказывается, что осветить Луну теперь возможно, правда, не всю Луну, а только маленький кусочек ее и, конечно, не прожектором, а лазером. Лазер – это оптический квантовый генератор. Он в состоянии аккумулировать свет и превращаться как бы в световую бомбу, которая может затем мгновенно разрядиться и испустить свет в одном направлении. В газовом лазере используется баллон со смесью газов. Если добиться того, чтобы большинство атомов или молекул газа пришло в возбужденное состояние, то один возбужденный атом при возвращении в нормальное состояние вынудит разрядиться и другие атомы, так что создается лавинный процесс. Это вынужденное излучение распространится в ту же сторону, с которой падал вынуждающий свет. Лазеры уже приобрели многочисленные научные и технические применения. При помощи больших телескопов свет лазера удалось послать и на некоторые точки неосвещенной части Луны и осветить их настолько сильно, чтобы это стало заметно в телескоп.

В 1970 г. самоходная советская лаборатория «Луноход-1» несла на себе французский лазерный отражатель, состоящий из серии посеребренных кварцевых призм. Лазерные сигналы, отраженные от них, принимались обсерваториями, находящимися во Франции и в Крыму. Лазерная локация Луны, при ее большой точности, позволит изучать дрейф земных континентов, движение земных полюсов и ряд вопросов космической геодезии и небесной механики. Световые сигналы, посылаемые лазером с вездехода, ползающего по ночной части Луны, позволят следить за ним с Земли (обычный прожектор был бы невидим).