Земле, и поскольку, начиная с пионерских работ Дж. Коккони, Ф. Моррисона и Ф. Дрейка, было показано, что радиоволны СВЧ-диапазона могут обеспечить связь на межзвездные расстояния. А возможны ли иные способы связи с ВЦ?
В XIX в., когда радиоволны еще не были известны, рассматривались проекты световой сигнализации на планеты Солнечной системы. Наиболее серьезный проект был предложен Э. Неовиусом, российским ученым финского происхождения[47]. Неовиус предложил поместить в фокусе оптического телескопа яркий источник света и с помощью специальной подвижной диафрагмы с вырезами модулировать световой поток в виде «точек» и «тире» азбуки Морзе. В качестве источника света он предлагал использовать недавно изобретенную вольтову дугу. Располагая ее в фокусе телескопа с диаметром объектива в 1 м, можно было создать сигнал вполне обнаружимый на поверхности Марса с помощью аналогичного телескопа. Для создания обнаружимого сигнала на более удаленных планетах Неовиус предлагал использовать систему из нескольких 1-метровых телескопов. Он прекрасно понимал, что создание такой системы не под силу одной какой-либо стране и предлагал объединить усилия многих передовых стран, рассматривая задачу связи с внеземными цивилизациями как общечеловеческую. Проект Неовиуса был рассчитан на связь в пределах Солнечной системы. А возможна ли связь с помощью световых сигналов на межзвездные расстояния? До изобретения лазеров мы должны были бы ответить отрицательно.
На первый взгляд, это может показаться не совсем ясным. Если мы помещаем радиопередатчик в фокусе зеркальной антенны и таким образом создаем луч, который можно направить на различные звезды, получая при этом вполне обнаружимый сигнал, — то почему бы ни поместить источник света в фокусе оптического зеркала и с помощью такого прожектора не попробовать передавать световые сигналы? Различие между радиотелескопом и прожектором состоит в том, что радиотелескоп обладает гораздо большей направленностью. Это связано с тем, что излучатель радиоволн, находящийся в фокусе зеркальной антенны, имеет размер, не превышающий длину волны радиоизлучения, поэтому раствор радиолуча определяется только дифракцией и равен λ/D. Длина волны видимого света столь мала, что невозможно создать источник такой протяженности. Пламя вольтовой дуги или нить накаливания имеют размер порядка сантиметров, а длина волны видимого спектра меньше 1 мкм. При таких условиях расходимость луча прожектора значительно больше дифракционного предела. Хороший прожектор имеет расходимость луча порядка полградуса. Такую же диаграмму направленности будет иметь радиотелескоп диаметром 1 м, работающий на волне 1 см. Это довольно низкая направленность. Чтобы обеспечить радиосвязь на межзвездные расстояния, требуется гораздо более высокая направленность. Тем более это необходимо для светового сигнала. Ведь условия обнаружения светового сигнала гораздо хуже, чем радиосигнала. Это связано с необходимостью выделения сигнала на фоне излучения звезды.
Если цивилизация, посылающая радио или световые сигналы, находится в окрестности какой-то звезды (на планете, обращающейся вокруг этой звезды), то при наблюдении ее даже с расстояния ближайших звезд (а тем более с дальних расстояний) излучение цивилизации невозможно отделить от излучения звезды: практически они будут наблюдаться в одном направлении. Значит, сигнал ВЦ должен быть обнаружен на фоне излучения звезды. Мощность излучения нормальной звезды, типа Солнца, в радиодиапазоне низка, поэтому обнаружение радиосигналов на фоне этого излучения не представляет труда. Ограничивающим фактором здесь является не излучение звезды, а галактический фон. Если радиосигнал можно обнаружить на фоне галактического излучения, он «автоматически» выделяется из излучения звезды. Иное дело в оптическом диапазоне. Здесь интенсивность излучения звезды гораздо выше, и именно она, а не галактический фон, ограничивает возможность обнаружения сигнала. Чтобы световой сигнал можно было обнаружить на фоне яркого излучения звезды, направленность светового пучка должна быть очень острой, значительно острее, чем в радиодиапазоне. В то время как световой прожектор дает очень низкую направленность. Изобретение лазеров позволило снять это противоречие.
Принцип работы лазера такой же, как у мазера (рассмотренного в § 1.8). Он является источником вынужденного когерентного излучения, в котором все фотоны данной длины волны летят в одном направлении. Конечно, это условие выполняется не абсолютно, а с определенной точностью: поскольку излучение лазера но всей его поверхности синфазно, то угловая ширина светового луча определяется дифракцией и равна λ/a, где а — линейный размер излучающей поверхности. А так как длина волны видимого света очень мала, то и расходимость пучка лазера, даже при небольшом размере светящейся поверхности, невелика. Так, для λ = 5000 Å при а = 1 см, расходимость пучка составляет 5 • 10-5 рад или 10 секунд дуги, что сопоставимо с направленностью радиотелескопа диаметром 200 м, работающего на волне 1 см. Это уже достаточно высокая направленность. Однако с помощью оптической системы се можно еще увеличить. Поместим в пучок лазера идеальную линзу диаметром а с фокусным расстоянием, равным тоже а. Тогда в фокусе линзы будет получено действительное изображение размером λ. То есть такая система позволяет получить источник света, имеющий размер, равный длине волны (как излучатель в радиодиапазоне). Если теперь совместить фокус линзы с фокусом большого зеркала, диаметром D, то пучок, выходящий из большого зеркала, будет иметь расходимость λ/D. Для 5-метрового зеркала она составляет 10-7 рад или 0,02 угловой секунды. Это соответствует очень высокой направленности: телесный угол, в котором сосредоточено излучение, равен 10-14 стерадиана. (Чтобы реализовать такую направленность в радиодиапазоне, надо иметь гигантский радиотелескоп; если, например, радиотелескоп работает в диапазоне 20 см, где расположены радиолинии водорода и гидроксила, его размер должен быть 2000 км!) Столь высокая направленность лазера позволяет осуществить передачу световых сигналов на межзвездные расстояния.
Первые, кто обратил внимание на возможность использования лазеров для межзвездной связи, были американские ученые Р. Шварц и Ч. Таунс. Их статья в «Nature» на эту тему[48] появилась в 1961 г., спустя год после первых попыток поиска радиосигналов ВЦ (проект «Озма»). Таунс является одним из изобретателей лазера, вместе с советскими учеными Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым он был удостоен Нобелевской премии за это изобретение. Не удивительно по этому, что именно Таунс исследовал возможности применения лазеров для связи между космическими цивилизациями.
В качестве примера Таунс и Шварц рассмотрели такую систему: лазер мощностью 10 кВт, работающий в непрерывном режиме на волне 5000 Å, в полосе 1 МГц, диаметр дополнительного большого зеркала — 5 м. Угол раствора пучка в такой системе 10-7 рад. Чтобы сохранить столь высокую направленность, система должна быть вынесена за пределы атмосферы.
Если внеземная цивилизация, расположенная около одной из ближайших звезд на расстоянии 10 св. лет от Солнца, посылает к нам световые сигналы с помощью подобной системы, то поток излучения у Земли будет составлять
