Новое средство космической связи

В настоящее время для осуществления связи между Землей и космическими аппаратами используются искусственным образом воспроизведенные электромагнитные колебания (радио). Недалеко время, когда для связи и передачи информации станут применяться и лазеры, т. е. устройства, использующие световое излучение. Однако по сравнению с радио здесь в основе нет ничего нового. Свет - это тоже электромагнитные колебания. Существуют ли какие-либо иные пути, способы связи, или же все упирается в радиотехнику? В общем-то на этот вопрос ответить довольно трудно. Вполне возможно, что в природе существуют и иные способы передачи информации, но мы о них сейчас ничего не знаем. И все-таки давайте попытаемся на страницах этой книги открыть новый способ связи. Заманчивая мысль? Конечно! Новоявленный способ вытекает как следствие из результатов решения следующей задачи: что произойдет с Землей, если космонавт выйдет из корабля?

По первому впечатлению - вопрос звучит странно. Какая, казалось бы, существует связь между Землей и выходом космонавта из корабля. Конечно, когда А. Леонов выходил из корабля в открытый космос, то на Земле этот эпизод расценивался как эпохальное событие и Земля, люди Земли торжественно встретили своего посланца. Но речь, разумеется, будет идти не об этом. Давайте на выход космонавта из корабля посмотрим € иных позиций, а именно с точки зрения механики.

Для этой цели нам придется вспомнить одну давно известную закономерность движения материальных тел, связанную с движением центра масс. Об этом мы, в частности, вспоминали в только что решенной задаче, где речь шла о движении центра масс системы, состоящей из двух шариков, пружины и Земли. Теперь обобщим это понятие. Представим себе, что в космическом пространстве совершает свободный полет некоторое число тел. Между этими телами могут действовать произвольные внутренние силы, а действие каких-либо внешних сил отсутствует. Например, когда наши рассуждения будут касаться Земли и космических кораблей, то этим самым предполагается, что влияние притяжения Солнца, Луны, всех планет Солнечной системы и звезд отсутствует. Земля, словно одинокий странник, совершает полет как бы в пустом беспредельном пространстве.

Относительно движения указанной системы тел теоретическая механика определила следующую закономерность: центр масс системы тел совершает равномерный и прямолинейный полет независимо от действия внутренних сил и расположения тел в системе. Иначе говоря, как бы эта система ни вращалась, как бы внутри ее ни происходили перемещения отдельных тел, центр масс ее будет двигаться по раз и навсегда заданной прямолинейной траектории. С некоторым приближением можно считать, что Солнечная система (центр масс ее) движется независимо от расположения планет внутри нее.

Рис. 64. Система космический аппарат (2) - Земля (1) - космонавт (3). ЦМ - положение центра масс системы

Вернемся, однако, к нашей задаче, т. е. к космонавту, кораблю и Земле. Когда космонавт находится внутри корабля, то центр масс этой простейшей системы будет расположен на отрезке прямой линии, соединяющей корабль и центр Земли. Конечно, вес Земли во много раз превышает вес корабля и поэтому центр масс их будет расположен где-то очень близко от центра Земли (рис. 64). После того как космонавт вышел из корабля, наша система стала состоять уже из трех тел. Для определенности положим, что космонавт оказался над кораблем (рис. 64). Значит, распределение масс в этой системе по сравнению с первоначальным состоянием ее изменилось так: он переместился ближе к кораблю. Но в соответствии с законом о сохранении движения центра масс положение центра масс относительно линии первоначального движения не должно измениться. Иначе говоря, по какой траектории он двигался вначале (до выхода космонавта), по такой он должен двигаться и после выхода космонавта в космос. Это означает, что для сохранения неизменным движения центра масс удаление космонавта в одну сторону автоматически приведет к смещению Земли в противоположном направлении (рис. 64). Таким образом, когда космонавт выходил из корабля, он совершенно не представлял себе, что его выход приведет к смещению траектории движения Земли. Разумеется, это очень малый эффект. Величина смещения Земли по сравнению со смещением космонавта относительно корабля будет примерно во столько раз меньше, во сколько раз масса Земли превышает массу космонавта.

Строго говоря, на этом дело не заканчивается. Отклонение Земли от первоначальной орбиты движения точно так же приведет к смещению Солнца, а это в свою очередь вызовет возмущения в движении планет Солнечной системы. Значит, любое произвольное изменение положения отдельных частиц Солнечной системы не проходит бесследно, оно так или иначе, пусть в чрезвычайно, малых эффектах, но непременно сказывается на последующем движении и положении тел внутри этой системы. Вот отсюда и вытекает новый способ передачи информации в космосе. Для этого достаточно космонавту переместить какой-либо груз внутри корабля, например, поднять или опустить руку, переложить бортжурнал с одного места на другое и т. д., как это с неумолимой неизбежностью отразится на движении Земли. Мы, сидя на Земле, должны лишь зарегистрировать это изменение. Если заведомо условиться с космонавтом о порядке и последовательности перемещения каких-либо масс внутри корабля или снаружи его и каждому перемещению присвоить какую-либо условную информацию, тотем самым откроется возможность осуществления связи космонавта с Землей. Точно так же, перемещая какие-либо массы на поверхности Земли, мы изменим траекторию движения космонавта. Тогда космонавт по обнаруженному изменению траектории может судить о передаваемой ему информации. Однако поверхность Земли и распределение масс на ней беспрерывно меняются из-за влияния климатических условий и трудовой деятельности людей. Все это, разумеется, в какой-то мере сказывается на траектории движения корабля, и космонавту будет трудно выделить полезный сигнал. В связи с этим на Земле необходимо, например, иметь какое-либо устройство по периодическому, с заданной частотой изменению положения некоторой массы. Тогда космонавт из совокупности всех изменений траекторий должен выделить периодическую составляющую, кратную частоте колебаний наземного источника. Этим способом в принципе может передаваться определенная информация с Земли на борт космического корабля.

Таким образом, мы нашли новые возможности осуществления связи Земли с космосом. Они базируются на изменении относительного движения Земли и космического корабля за счет определенным образом выполненного перемещения масс на орбите корабля или на Земле. Но, к величайшему сожалению, современный технический уровень развития средств измерений: не позволяет реализовать эту связь. Дело в том, что возникающие отклонения Земли при выходе космонавта из корабля чрезвычайно малы, их мы не можем ничем зарегистрировать, обнаружить или измерить. Они далеко выходят за рамки чувствительности наших самых точнейших приборов. Но это еще не все. Даже при наличии необходимых средств измерений орбиту движения корабля потребуется определять с невероятна высокой точностью, когда можно было бы ощущать ее флуктуации, вызванные перемещением масс на Земле. Практически это нереально. Поэтому в настоящее время обращается внимание на несколько иной способ использования гравитационного поля для передачи информации, а именно гравитационных волн. Простейший источник гравитационных волн -- вращающаяся гантель. Существуют и другие способы их генерации. Совсем недавно стали появляться сообщения о том, что удалось зарегистрировать гравитационные волны. Опыты были .выполнены Дж. Вебером в университете штата Мэриленд на востоке США. Пока что опубликованы первые результаты, и это может вызвать у скептиков сомнение в достоверности открытия. Но путь к нему проложен.

В предварительных опытах Вебера источником гравитационных волн был алюминиевый цилиндр весом около 130 кг, колеблющийся вдоль своей оси. Длина цилиндра 1,5 м, диаметр около 20 см. Колебания цилиндра возбуждались с помощью переменного электрического тока.

Приемником гравитационных волн служил другой, более тяжелый цилиндр, расположенный невдалеке от источника колебаний. На этом опыте Вебер убедился, что колебания генератора возбуждают синхронные колебания приемников. После этого Вебер приступил ко второму, главному опыту - к регистрации гравитационных волн, приходящих из космоса. Он использовал два больших цилиндра, расположенных на расстоянии 1000 км друг от друга (один - около Вашингтона, другой - в Чикаго). В течение восьмидесяти дней изучались отсчеты двух самописцев, регистрирующих колебания двух приемников. Было замечено прохождение не менее десяти сигналов. Это - первый практический успех на пути использования гравитационных волн для передачи информации сквозь невообразимые дали космоса. Будущему принадлежит дальнейшее "совершенствование этого метода.