С. Кин.
Вряд ли кто-либо из радиолюбителей, сидя с телефоном на ушах где-нибудь на окраине СССР и проверяя свои часы по бою Кремлевской башни, задумывается над тем, действительно ли он слышит первый удар башенных часов точно в тот самый момент, когда этот удар слышат московские радиолюбители. И он, конечно, вправе (если над этим вопросом все же задумываться) считать, что слышит удары башенных часов одновременно с москвичом. Того же любителя, который в этом сомневается, окончательно должен убедить следующий простой расчет. Радиоволны, как и всякие электромагнитные волны, как известно, распространяются со скоростью около 300 000 километров в секунду. И если вы находитесь даже на расстоянии 3 000 километров от Москвы, то сигнал затратит только одну сотую секунды, чтобы достичь вашего приемника. Ясно, что сотая секунды — это такой малый промежуток времени, которым можно пренебречь не только при проверке карманных часов, но даже и в случаях, требующих гораздо большей точности — например при обычных астрономических наблюдениях.
При этих расчетах мы приняли, что радиоволны распространяются со скоростью 300 000 километров в секунду, но верно ли это? Проверено ли на опыте, что радиоволны всегда распространяются с такой скоростью? Эти вопросы совершенно естественно могут возникнуть у всякого. И теоретическими рассуждениями этих сомнений рассеять нельзя. Даже наоборот, теория показывает, что скорость распространения радиосигналов может очень сильно отличаться от скорости света в пустоте (т. е. от скорости в 300 000 километров в секунду). Мы подчеркиваем, что речь идет о скорости распространения целых радиосигналов, а не электромагнитных волн (радиоволн) вообще 1).
Помимо этого сомнительного пункта может возникнуть также и другое сомнение. Верно ли, что радиоволны, особенно короткие, распространяются по кратчайшему пути? Не выбирают ли они иногда более длинных, но почему-либо более удобных для себя, путей?
Сомнения эти можно было разрешить путем опыта, который и предприняли американские радиоинженеры Тэйлор и Юнг. Они определили время, потребное на то, чтобы радиосигнал, отправленный с работающей короткими волнами станции Рокки-Пойнт, достиг бы приемной станции, расположенной в Вашингтоне. Расстояние между этими пунктами составляет около 420 километров и, следовательно, по нашим расчетам мы получили бы время примерно в одну семисотую долю секунды. Но оказалось, что в различных случаях сигнал затрачивает на это путешествие время от ¹/₁₀₀ до ¹/₃₀ секунды, т. е. во много раз большее. Этот результат, хотя и неожиданный, все же не особенно озадачил радиоспециалистов. Объяснение подыскать было не трудно — нужно было только предположить, что радиоволны распространяются не по кратчайшему пути и что скорость их распространения меньше скорости света. В обоих этих предположениях нет ничего невероятного. Первое из них подтверждается еще и рядом других фактов, которые указывают, что короткие волны распространяются не прямолинейно, а «зигзагами», отражаясь много раз от поверхности земли и от верхних слоев атмосферы. Таким образом, опыты Тэйлора и Юнга не внесли никакого «переполоха» в радиотехнику. Ничего загадочного в этих опытах не оказалось.
Но переполох все же вскоре разразился. И вызвали его недавно опубликованные результаты новых наблюдений норвежцев — проф. Штормера и инженера Гальса. Эти два наблюдателя (с той же целью, так Тэйлор и Юнг в Америке) вели в Осло прием мощной радиотелефонной станции PCII фирмы «Филиппс» в Эйдховене (в Голландии). Станция эта работает на коротких волнах и хорошо известна коротковолновикам-любителям всего мира, так как работу ее можно слышать почти во всех точках земного шара. В определенные моменты, заранее точно установленные, станция PCII передавала подряд один или несколько очень коротких отрывистых сигналов. Наблюдатели в Осло отмечали момент, когда тот или другой из сигналов был принят. Оказалось, что сигналы прибывают с некоторым опозданием против «расписания». Но кроме того, после некоторых сигналов можно было различить своеобразное «эхо» — повторение сигнала через некоторый промежуток времени после основного сигнала. Этот промежуток времени менялся от одного наблюдения к другому и довольно часто достигал целых 15 секунд. Легко сообразить, что это значит, если считать, что радиоволны распространяются со скоростью 300 000 километров в секунду. За пятнадцать секунд радиосигнал успел бы пройти четыре с половиной миллиона километров и, следовательно, он совершил такую «прогулочку» и только после этого попал в приемник.
Эти первые наблюдения (они были сделаны в марте 1928 года) показались настолько невероятными, что им сначала просто не хотели верить. Однако, по настоянию проф. Штормера в октябре истекшего года опыты были повторены, причем наблюдения велись уже сразу в трех пунктах — в Осло и в других местах вблизи Эйдховена, т. е. недалеко от передающей станции. Наблюдения проф. Штормера и на этот раз целиком подтвердились. «Сигналы-эхо» были слышны как в Осло, так и в Эйдховене, причем удавалось одно и то же «эхо» отметить не только в двух, но даже во всех трех приемниках одновременно. При сравнении записей приема во всех трех пунктах оказалось, что некоторые «сигналы-эхо» были приняты одновременно тремя наблюдателями — например сигнал № 53 на графике, в котором сведена часть наблюдений трех приемных станций (см. рис.).
После этого уже не могло оставаться никаких сомнений в том, что «сигналы-эхо», странствующие неизвестно где в течение многих секунд, действительно существуют.
Где же «пропадают» эти «сигналы-странники» в течение многих секунд? Запаздывание сигналов на небольшие доли секунды можно (как мы уже указывали) без большой натяжки объяснить тем, что они распространяются не по кратчайшему пути и со скоростями несколько меньшими, чем скорость электромагнитных волн в пустоте. Но для объяснения огромных опозданий в 10—15 секунд пришлось бы предположить одно из двух — или что скорость радиосигналов на некоторых участках их пути уменьшается во много тысяч раз по сравнению со скоростью радиоволн в пустоте, или что «радиосигналы-странники», прежде чем достигают приемника, совершают огромные путешествия в несколько миллионов километров. Трудно сказать, которое из этих объяснений более правдоподобно — оба они звучат не очень убедительно, и, пожалуй, первое из них принять труднее, чем второе.
Но все же известный голландский физик профессор Ван-дер-Поль недавно выдвинул первое из этих предположений в качестве объяснения причины запаздывания «сигналов-эхо» 2).
Объяснение Ван-дер-Поля вкратце сводится к следующему. В теории электромагнитных волн рассматриваются две скорости распространения волн. Первая, так называемая «фазовая скорость», это та скорость, с которой распространяется непрерывная, бесконечная и ничем не ограничимая электромагнитная волна. Такую волну, например, создавал бы незатухающий радиотелеграфный передатчик, если бы мы нажали ключ передатчика и держали его нажатым втечение очень большого промежутка времени. Другая скорость это — «групповая скорость», с которой распространяется не непрерывная, неограниченная волна, а небольшая группа волн — ограниченная с двух сторон, то есть небольшой отрезок бесконечной волны. Такие именно группы, или как их иначе называют «цуги» волн создает радиотелеграфный передатчик, посылающий отдельные короткие отрывистые сигналы. Обе эти скорости — фазовая и групповая — совпадают только в пустоте. А в какой-либо среде, поглощающей и рассеивающей электромагнитные волны, обе эти скорости уже не совпадают друг с другом, и в некоторых случаях отличаются одна от другой очень значительно.
Совершенно ясно, что когда мы говорим о скорости распространения радиосигналов, то речь в сущности идет о групповой скорости распространения волн, так как каждый радиосигнал представляет собой именно группу волн, ограниченную с обеих сторон. Да иначе оно и не могло быть. Ведь если бы передатчик посылал непрерывную и неограниченную цепь волн, то это не были бы сигналы, и о скорости распространения такой непрерывной цепи волн ничего нельзя было бы сказать. Ведь нужны именно отдельные сигналы для того, чтобы сравнить момент времени, когда они переданы, с тем моментом, когда они приняты.
И вот оказывается, что именно групповая скорость волн может очень сильно изменяться, в зависимости от присутствия свободных электронов в той среде, по которой распространяются электромагнитные волны. Для данной длины волны можно подсчитать ту «концентрацию» электронов (т. е. количество электронов на один кубический сантиметр), при которой скорость становится очень мала. Для волн порядка 30 метров эта «критическая концентрация» соответствует примерно одному миллиону электронов на 1 куб. сантиметр. И вот, если электромагнитная волна длиною в 30 метров попадает в область с такой концентрацией электронов, то ее дальнейшее распространение происходит очень медленно, и в таком районе радиосигнал может задержаться на довольно большой промежуток времени. Таким образом можно объяснить происхождение «сигналов-эхо», приходящих с большим опозданием. Радиосигналы, отправленные передатчиком, на пути своего распространения в верхних слоях атмосферы «натыкаются» на области с критической концентрацией электронов. Через эти области они пробираются очень медленно, и поэтому задерживаются в них на довольно большие промежутки времени. И только после того как сигналу удалось выбраться из такой области, он, наконец, добирается до приемника, но уже с большим опозданием. Величина этого опоздания зависит от условий в верхних слоях атмосферы и вместе с изменением этих условий от раза к разу может меняться. Так оно и наблюдается в действительности — при различных наблюдениях время, отделяющее «эхо» от основного сигнала, изменяется в больших пределах.
Словом, объяснение загадки как будто найдено, и тайна «волн-странников» раскрыта.
Однако, тотчас же после опубликования этого объяснения, против него было выдвинуто одно очень серьезное возражение. Дело в том, что путешествие радиоволн по «критическим областям» неизбежно связано с большими потерями энергии. И чем дольше радиосигнал «околачивается» в критической области, тем большая часть его энергии в этой области поглощается. Можно подсчитать, что сигнал, который провел в критической области 10 секунд, должен выйти из нее настолько ослабленным, что принять его нельзя было бы на самый чувствительный не только из существующих, но даже из вообще мыслимых приемников. Между тем «сигнал-эхо» бывает слышен почти так же громко и явственно, как и основной сигнал.
Таким образом, как будто бы удовлетворительное на первый взгляд объяснение Ван-дер-Поля приходится отвергнуть из-за приведенного выше возражения.
Остается второе предположение, что скорость «радиосигналов странников» мало отличается от скорости света, но что зато они успевают за время своих странствований проделать огромные путешествия в несколько миллионов километров. Но при этом тотчас же возникает вопрос — по каким путям они эти путешествия совершают? Само собой напрашивается сравнение их с тем типом «сигналов-эхо», которые наблюдались впервые, пару лет тому назад, при работе мощных коротковолновых станций в Науэне (Германия) и Рио-де-Жанейро (Бразилия). Прием велся на пишущие приборы, и на приемной ленте можно было обнаружить повторные «сигналы-эхо», пришедшие через ¹/₇, и даже ²/₇ секунды после основного сигнала. Время в ¹/₇ секунды при скорости радиоволн в 300 000 километров в секунду соответствует пути в 43 000 километров, то есть примерно длине окружности земного шара. Легко было догадаться, что «сигналы-эхо» проделывали путь вокруг земного шара и только после этого попадали в приемник.
Нельзя ли предположить, что «сигналы-странники», запаздывающие на 10—15 секунд, тоже проводят это время в кругосветных «странствованиях». В пятнадцать секунд сигнал успел более ста раз обойти земной шар. Однако, распространяясь в пределах земной атмосферы, он должен был бы очень сильно поглощаться. После ста кругосветных путешествий, даже при том небольшом поглощении, которое существует в верхних слоях атмосферы, сигнал был бы настолько ослаблен, что принять его было бы невозможно. Итак, по тем же соображениям, как и объяснение Ван-дер-Поля, последнее предположение надо отвергнуть.
Вообще, сигнал, который совершил путь в несколько миллионов километров даже в слабо поглощающей среде, к концу пути должен быть настолько слаб, что о приеме его не может быть и речи.
Поэтому, если считать, что сигнал действительно совершает эти огромные путешествия (а это, как видит читатель, нужно предположить), то придется допустить, что только незначительную часть пути он совершает в поглощающей среде, то есть в земной атмосфере, а почти весь путь он проходит в пустоте — в межпланетном пространстве. Нужно допустить, что радиоволны проникают через всю атмосферу, окружающую землю, и уходят в межпланетное пространство и в нем распространяются не только без поглощения, но и прямолинейно (в пустоте электромагнитные волны всегда распространяются прямолинейно).
Но если волны покинули землю и отправились в «межпланетное путешествие» по прямому пути, то что же может их заставить повернуть обратно и возвращаться на землю? Автор гипотезы о «межпланетных путешествиях» радиосигналов, проф. Штормер, предложил такое объяснение много раньше для совершенно другой цели (в своей новой теории северных сияний). Проф. Штормеру пришлось выставить гипотезу, что солнце, подобно нити катодной лампы, испускает поток отрицательных электрических частиц — электронов. И если радиосигнал натыкается в межпланетном пространстве на этот электродный поток, то он может от него отразиться и вновь попасть на землю.
Конечно, и против этого чрезвычайно смелого предположения есть некоторые возражения. Основное из них — это сомнение в том, могут ли радиоволны вообще проникать сквозь всю атмосферу и попадать в межпланетное пространство. Но этот вопрос до сих пор вообще нельзя считать разрешенным. И поэтому смелое и маловероятное предположение проф. Штормера — это все же единственное, пока неопровергнутое, объяснение причин появления «сигналов-эхо». Трудно пока что-либо еще оказать об этом интересном и не разгаданном еще явлении. Но тот факт, что этим вопросом заинтересовался целый ряд выдающихся ученых, дает нам право надеяться, что скоро мы услышим о них что-либо новое и интересное.
И если проф. Штормер прав, если «радиоволны-странники» — это странники не земные, а «межпланетные», то в руках человека окажется новое средство для изучения межпланетных пространств и наших ближайших «соседей» в мировом пространстве.
Если радиоволны могут совершать «прогулки» в несколько миллионов километров, то уж во всяком случае они могут достичь луны, а может быть и некоторых планет и, отразившись от них, вернуться на землю. А побывав на какой-либо планете и отразившись от нее, радиоволны смогут многое «рассказать» о ее строении и форме, подобно тому, как световой луч, отразившись от какого-либо тела, «рассказывает» нам о форме и окраске этого тела.
1) Об этих двух различных скоростях и связи между ними будет еще итти речь ниже. (назад)
2) Письмо проф. Ван-дер-Поля по этому вопросу опубликовано в одной из декабрьских книжек английского журнала «Природа» (Nature). (назад)