Семейство электромагнитных волн обширно. В него входят радиоволны, световые, рентгеновские лучи и гамма-излучения, отличающиеся друг от друга только частотой колебаний.
Скорость распространения электромагнитных волн одинакова — 300 000 км/сек. Поэтому естественно, что длина волны зависит от частоты колебаний. Чем больше частота, тем меньше длина волны. Легче всего объяснить это на таком примере. Привяжите веревку к стене и возьмитесь за другой конец. От плавного взмаха до стены дойдет всего три-четыре волны, от резкого — гораздо больше, при том же расстоянии и времени.
Радиоволны — самые длинные из электромагнитных колебаний: от десятков километров до 0,4 миллиметра. Световые — инфракрасные, видимая часть спектра и ультрафиолетовые — еще короче. Длина волн рентгеновских и гамма-лучей измеряется ангстремами — десятимиллионными долями миллиметра.
На шкале любого радиоприемника написано: длинные, средние, короткие и УКВ. Такая разбивка радиоволн объясняется условиями их распространения и приема.
Сначала люди научились передавать и принимать «неорганизованные» электромагнитные сигналы. Попов применял маленькую искусственную молнию. Между двумя шарами проскакивала электрическая искра. Если бы для связи применялась «нестройная толпа» электромагнитных волн, излучаемых искрой, и одновременно работало бы много таких радиостанций, то они мешали бы друг другу. Пришлось подумать о том, чтобы поставить «часового», который пропускал бы только «своих» — волны определенной длины, присущие лишь одной радиостанции. То же нужно было сделать и на принимающей станции. Словом, нужен был фильтр.
Им стал колебательный контур. Он подобно световому фильтру «выбирал» и задерживал волны определенной длины. Подобно тому как красный фильтр пропускает только красный свет, а синий — только синий, колебательный контур направлял в эфир и выбирал из него волны той длины, на которую он был настроен.
Радиотехникой для каждой передающей станции отведен определенный канал связи: диапазон частот шириной в 9 тысяч колебаний в секунду. В диапазоне длинных волн от 1 000 до 100 метров могут одновременно работать лишь 300 радиостанций.
Почему?
Если длина волны 1 тысяча метров, а скорость распространения электромагнитных волн 300 тысяч километров в секунду, то число колебаний этой волны за секунду равно 300 тысячам.
Стометровая волна имеет 3 миллиона колебаний в секунду. Следовательно, ширина диапазона (3 миллиона минус 300 тысяч) равняется 2 миллионам 700 тысячам колебаний в секунду.
Сколько же каналов, сколько радиостанций уместятся в этом диапазоне? 2 700 тысяч, деленные на 9 тысяч, равняются 300.
А если взять диапазон волн от 100 до 10 метров? Подсчитаем… В этом диапазоне смогут работать 3 тысячи станций.
По той же формуле в диапазоне от 10 до 1 метра смогут разместиться 30 тысяч радиостанций. От 1 метра до 1 см — 3 миллиона, от 1 сантиметра до 1 миллиметра — 30 миллионов, а от 1 миллиметра до 1 микрона — 30 миллиардов радиостанций!
Но, обратите внимание, дело в том, что волны длиной 0,76 микрон — это уже видимая часть спектра. Однако именно в этом участке для связи открываются огромные возможности, особенно для связи космической. Правда, для такой связи пригодны далеко не все радиоволны, потому что есть радиоволны, которые «не любят» покидать землю.
Длинные волны — самые «земные». Они легко огибают земной шар и слабо поглощаются поверхностью планеты, но не выходят за пределы атмосферы.
Короткие — почти не огибают землю и сильно поглощаются. Но и их задерживает ионосферный слой, который отражает их подобно зеркалу.
Для космической связи пригодны УКВ. Они беспрепятственно проходят ионосферу и устремляются в межзвездное пространство. Их долго вообще считали бросовыми, неприемлемыми для связи, хотя и признавали за ними ряд достоинств. Достаточно упомянуть, что в этом диапазоне можно было бы разместить десятки тысяч радиостанций.
Но в этом случае уместно вспомнить сказку о гадком утенке, который стал прекрасным лебедем. Ультракороткие волны сделали возможным телеприем, радиолокацию и, наконец, радиосвязь в космосе.
Не правда ли, приятно было слышать голоса первых звездных капитанов Юрия Гагарина и Германа Титова! А ведь связь с ними, в том числе и телевизионная, осуществлялась на УКВ.
Однако вернемся к молнии. Она раскрыла человеку тайны радиоволн. Человек овладел ими, научился разделять их и властвовать над ними. Они стали для него средством связи.
Огонь давно стал спутником людей, освещал жилище человека. Свет факела стал его спутником в темной ночи. Свет использовался человеком и как средство связи.
В древнем Египте с помощью факелов и условных знаков передавали сообщения. Световыми сигналами пользовались древние греки, римляне. Но было ли это средство связи совершенным? Нет. Свет факела даже ночью заметен лишь на расстоянии нескольких километров. Световую вспышку, подобную молнии, и то можно увидеть только за десятки километров.
Здесь возникает как бы непреодолимый барьер для распространения света. Рассеиваясь в пространстве, свет становится таким слабым, что его нельзя уловить не только глазом, но даже прибором. Только такие факелы вселенной, как звезды мощностью в миллионы солнц, шлют нам свой свет из глубин космоса.
А можно ли на земле создать источники света такой же яркости? На первый взгляд кажется, нет. Но на заре радиовещания скептики утверждали, что нельзя передавать беспроволочным телеграфом сообщения на сотню, на тысячу или на десять тысяч верст.
Все мы знаем, что прогнозы скептиков не оправдались. Ученые нашли пути и преодолели трудности, казавшиеся непреодолимыми, и радиопередачи между любыми пунктами земного шара стали реальностью. Осуществлена и радиосвязь на десятки миллионов километров с космической лабораторией, направленной в сторону Венеры.
Но расстояния в сотни миллионов километров могут оказаться для радиоволн непреодолимыми.
По мере удаления корабля от Земли прием все же прекратится.
Почему?
Дело в том, что из радиоволн невозможно сформировать достаточно узкий пучок. Они всегда разбегаются в виде более или менее широкого конуса.
Радиолуч расходится под углом, и приходящий к приемнику радиосигнал становится все менее мощным. Когда он станет слабее, чем собственный шум усилителей, то различить его будет невозможно — и связь прекратится.
Вспомните эпизод из фантастического рассказа Валентины Журавлевой «Астронавт».
«В бортовом журнале короткие записи: «Полет продолжается. Реактор и механизмы работают безупречно. Самочувствие отличное». И вдруг почти крик: «Телесвязь прервана. Ракета ушла за пределы телеприема. Вчера смотрели последнюю передачу с Земли. Как тяжело расставаться с Родиной!» Снова идут дни. Запись в журнале: «Усовершенствовали приемную антенну рации. Надеемся, что радиопередачи с Земли удастся ловить еще дней семь-восемь». Они радовались, как дети, когда рация работала двенадцать дней…»
Как же увеличить дальность космической радиосвязи? Нужно научиться излучать очень узкие пучки радиоволн.
Для того чтобы конус был достаточно узким, размеры антенн должны быть много больше длины излучаемой волны. Именно поэтому для целей радиолокации пришлось освоить сантиметровые волны. Но и на этих волнах трудно получить пучки, расходящиеся в конусе с углом меньше одного градуса, хотя и применяются антенны диаметром более десяти метров.
Да и увеличивать мощность передачи с космического корабля и размеры антенны на космическом корабле можно только до каких-то пределов.
Значит, применение радиоволн в космосе связано с решением многочисленных и сложных задач.