Ответ на пост «Катафот это самое полезное на луноходе»⁠⁠1

Любой человек, хотя бы поверхностно интересующийся темой покорения космоса и освоения Луны, рано или поздно встречается с упоминанием уголковых отражателей на нашем ближайшем небесном теле. Расположены они там, как гласит каноническая версия, для облегчения лазерной локации Луны и уменьшения погрешности измерения расстояния от Земли до нашей соседки. На видимой стороне Луны этих отражателей несколько, их доставляли туда и автоматические станции, и пилотируемые миссии Аполлон.

Наличие на Луне уголковых отражателей, по словам официальных научных и околонаучных авторов, существенно облегчило лазерную локацию и, как следствие, доказал факт пребывания на поверхности Луны экипажей НАСА. Попробуем разобраться для начала, может ли быть реальное основание под словами о том, что эти отражатели "видны" с Земли.

Итак, уголковый отражатель - это "пассивное" приспособление, позволяющее в некотором диапазоне углов падающего луча отправлять его точно в обратном направлении. Для видимого света можно выполнить его в виде зеркальных плоскостей или призм из оптического стекла.

Конечно же, есть нюансы, притом в самой упрощенной постановке задачи. Даже если считать гипотетическую задачу с нерасходящимся и непоглощаемым по пути лазерным лучом. Например, пока лазерный луч с Земли долетит до поверхности Луны и вернется - Земля уже сместится и ловить отраженный "зайчик" надо на определенном расстоянии от "пушки". И на том же Хабре есть персонажи, на полном серьезе и без стёба ведущие вычисления, на 2 или на 3 км должен быть смещен приемник относительно пушки, чтобы не стрелять лазерными зайчиками "в молоко" (https://habr.com/ru/articles/498742/). В реальной ситуации с расхождением луча и поглощением его в атмосфере, конечно, яркость будет падать - но, типа, если поставить приёмник в нужном месте, то померкший зайчик хотя бы из нескольких фотонов от отражателя нам типа гарантирован.

Рассказчики про уголково-отраженные лазеры упускают в своих рассказах маленький нюанс - все существующие отражатели изготавливаются на реальном оборудовании и имеют геометрическую погрешность, пусть и "космического" класса. А потом они еще взлетают с Земли с десятикратной перегрузкой и с перегрузкой прилуняются (что особенно критично для стеночек зеркальных ячеек). Т.е. углы плоскостей фактически всегда имеют микроскопическое, но отличие от 90 градусов. И на сколько долей градуса есть погрешность - на столько долей "в сторону" от источника полетят все пойманные фотоны. Может быть, мы очень постараемся, достигнем погрешности в 1/1000 градуса и всё будет ОК? Увы, при расстоянии в примерно 380 000 км (вроде такое было, когда я пролетал там на "Кон-Тики" в обнимку с Б3-34 и "Техника-молодежи") отклонение на 1/1000 градуса даёт уже промах 380000*sin(0.001)=6632 км - это же почти равно радиусу Земли! Фантастически мизерная погрешность изготовления уголкового отражателя уже гарантированно пошлёт любой долетевший фотон мимо Земли!

Даже если представить, что вдруг исчезнет квантово-механическое расхождение луча и у нас будет возможность с Земли как фломастером закрашивать поверхность Луны лучом размером с отражатель - при попадании на отражатель мы увидим падение интенсивности отражения до нуля. Любой произведенный людьми отражатель на таких расстояниях будет выглядеть на диаграмме отраженного сигнала как черная дыра - весь свет он старательно отклонит мимо наблюдателя на величину погрешности, которая всегда отлична от нуля!

Как же так? В "лунном заговоре" появилась новая глава и уже теперь есть секта отрицателей лазерной локации? Да нет, с лазерной локацией всё в порядке! Собственно, даже НАСА не настаивает на том, что отраженные сигналы из районов размещения отражателей посланы именно отражателями. Или что они хоть как-то отличаются от сигналов с других участков Луны.

Я же не сильно удивлю читателя заявлением, что поверхность Луны и так неплохо отражает свет? Благодаря этому ее свойству любительской астрономией человечество занимается уже не один десяток тысяч лет. Изобретение когерентного излучения и чувствительных фотоприемников существенно расширяет эти возможности, но факт остается фактом - наш любимый реголит отражает до 15% падающих на него фотонов видимого диапазона, без всяких импортных отражателей. И делает это даже с некоторым "уголковым" эффектом, т.к. это не плоская матовая поверхность, а мельчайшая пыль с гранями. Но и полностью диффузное отражение нам тоже норм - поэтому лазерная локация ведется еще со времен, когда никаких отражателей на поверхности не было. И никакие километры между пушкой и приемником отсчитывать не надо.

Собственно, с 1960х техника лазерной локации принципиально не изменилась:

1. Светим на Луну мощным лазером (ясной ночью в новолуние), сотнями серий коротких импульсов. Преодолев с небольшими потерями земную атмосферу, оставшиеся фотоны летят к цели.

2. На Луне это уже не луч, а невидимое глазу пятно площадью в квадратные километры, а то и в 10-20 кв.км. В самом идеальном случае самый идеальный луч, подчиняющийся квантовой механике, будет диаметром не менее 2 км.

3. Эти квадратные километры поглощают 85-95% фотонов, диффузно отражая оставшиеся во все стороны, но с некоторым слабым "уголковым эффектом" в сторону Земли.

4. На Земле от некоторых импульсов не ловят ничего похожего на выпущенные фотоны, от некоторых импульсов при удаче ловится 1-3 похожих фотона.

5. Набирают статистику, обрабатывают.

На представленной выше странице отчета НАСА видно, что нет никаких доказательств, что полученные обратно фотоны отражены конкретно от отражателей. Это либо фотоны вообще откуда-то от Луны, либо переотраженные атмосферой похожие на них фотоны от земных источников, либо шум аппаратуры. Оно и понятно: даже если бы на площади 0.25 кв.м был не уголковый отражатель, а идеальное самоподстраивающееся под наблюдателя зеркало, его вклад в отражение пятна реголита размером с небольшой городок был бы всё равно ничтожен. Реголит всегда рулил, рулит и будет рулить в лазерной локации! А все успехи лазерной локации достигнуты не волшебными артефактами, разбросанными на пыльных лунных тропинках, а скромным и кропотливым, год за годом, улучшением земных технологий излучения/детектирования и обработки оптического сигнала.

Остался последний момент: в Политбюро, что дураки сидят учёные, что, все сговорились меж собой и, до кучи, с популяризаторами врать про отражатели? Да нет, конечно же. При всей очевидной бесполезности уголковых отражателей на подобных расстояниях, основная задача наукой достигается - и нет необходимости в каких-то разборках. Любили советские ученые сотрудничать с французами и заказывать у них что-нибудь для авиации и космоса, чтобы покататься в командировки - ОК. Заказали отражатель, скатались в Париж и Ниццу, конструкторы потом отражатель приделали и отправили, благо не тяжелый. У американцев выглядит их чемоданчик солидно и научно - ОК, надо создавать научность, отвезли и сфоткали. Все довольны - а сотрудникам лазерной локации потом не трудно сделать коллегам приятно и рассказать, как теперь всё улучшится. Ведь с годами реально улучшается, не соврали.

Так устроена любая отрасль науки, любая без исключения. А популяризаторы это вообще люди, умеющие красиво и увлекательно пересказывать чужие скучные тексты. Ученых широкого профиля, которые, как Дробышевский, реально глубоким научным способом знают всё то, что излагают - среди популяризаторов единицы. С других же спрашивать что-то за достоверность первичных фактов просто глупо. Спасибо им, что доносят до нас научные идеи и вдохновляют на познание.

Но разбираться в этом самому - не помешает. Потому что одни бесполезно для науки, но безвредно поэкспериментировали, другие галантно умолчали, третьи из солидарности всех похвалили - а следом идут те, кто эти умолчания превращают в шулерские "доказательства". Вот тут уже зевать не надо. Потому что даже примитивные прикидки говорят, что наличие отражателей на Луне невозможно достоверно доказать с Земли инструментальным способом.

Всем лучи удачи и добра!