Когда 50 лет назад, 20 июля 1969 года, Нил Армстронг сделал один маленький шаг на поверхность Луны, это достижение стало триумфом для американских технологий, дав США возможность догнать Советский Союз в ходе ожесточенной холодной войны. Но космическая гонка также создала внутреннюю научную гонку, в ходе которой нужно было определить, какие эксперименты будут проводиться на борту первой миссии людей на поверхность другого мира.

Одним из победителей стало устройство, которое позволило ученым измерить расстояние между нашей планетой и ее спутником с беспрецедентной точностью — эксперимент, который имел не только решающее значение для проверки общей теории относительности и понимания тонких колебаний Луны, когда она вращается вокруг своей оси, но и был также удивительно прост по сравнению с огромной сложностью всей миссии.

В 1963 году Джеймс Фаллер стал работать в Объединенном институте лабораторной астрофизики (JILA) Национального бюро стандартов в Университете Колорадо, в Боулдере. Будучи аспирантом Принстонского университета в конце 1950-ых годов, он написал статью под названием «Предлагаемая лунная посылка: уголковый отражатель на Луне», в которой описан прочный легкий отражатель весом всего в полкило, который можно разместить на Луне. Луч света от Земли будет направлен на отражатель, после чего он вернется обратно к источнику. Время, которое понадобится свету, чтобы совершить путешествие от Земли до Луны и обратно, писал он, «позволило бы провести точное измерение расстояния от Земли до Луны».

Свое исследование он передал профессору Роберту Генри Дике — физику, который внес важный вклад в развитие астрофизики, атомной физики и теории гравитации. На обороте своей работы Фаллер написал в самом верху: «Профессор Дике, не могли бы вы посмотреть, имеет ли это смысл?»

Менее чем через десять лет мир узнает, насколько проницательным было предложение Фаллера. Вместе с коллегами из JILA Яном Холлом и Питером Бендером он создал команду «лунных дальномерщиков», чтобы изучить возможность установки светоотражателя на Луну. Не было никакой гарантии, что эксперимент действительно будет успешным: другие группы разрабатывали конкурирующие решения в надежде быть отобранными для исторического путешествия Аполлона.

Уголковый отражатель интересен тем, что отражает в обратную сторону свет, падающий под любым углом.

Но удача, наряду со строгими требованиями НАСА к размеру, весу и простоте прибора, дала отражателю преимущество. Чиновники НАСА полагали, что Аполлон-11 имел высокий риск экстренного сворачивания миссии после приземления, поэтому любой экспериментальный прибор должен иметь возможность быть установленным и развернутым в течение 10 минут. Фаллер вспоминал: «У астронавтов было ограниченное время для прогулок по лунной поверхности и установки приборов. Другими словами, нас спасло время».

Уголковый кубический отражатель — или, вернее, множество их — предлагали идеальное решение проблемы по возврату света в ту же точку на Земле. Действительно, обычное одиночное зеркало в теории работало бы, но для этого оно должно быть точно перпендикулярно падающему лучу. Однако из-за вращения Луны вокруг своей оси и вращения вокруг Земли такие идеальные условия будут происходить только в редких случаях, и даже тогда незначительная ошибка в наведении приведет к возвращению света в другое место. 

Предложенные Фаллером отражатели были сделаны из трех зеркал, установленных точно под прямым углом друг к другу, как внутренний угол картонной коробки. Эта конструкция заставляет входящий свет отражаться от трех поверхностей, а законы оптики гарантируют, что он всегда будет отражаться обратно к источнику.

По мере того, как эксперимент Фаллера получал «ход» в НАСА, был еще один важный момент: нужно было найти компанию, которая сможет сделать набор специализированных зеркал, без которых отражатель был бы невозможен. При этом он должен соответствовать строгим стандартам качества НАСА — например, компания-производитель должна была письменно заявить, что их зеркала продержатся как минимум 10 лет в суровых космических условиях.

На выбор у Фаллера были две компании — немецкая Heraeus и американская General Electic. Это был сложный выбор, но победили в нем немцы, чья оптика до сих пор является одной из лучших в мире: они изготавливали самый чистый плавленый кварц, что делало его устойчивым к ионизации в космосе, из-за которой обычное стекло темнеет со временем. Высокая чистота также минимизирует поглощение света и шанс образование пузырьков и включений, которые создают маленькие линзы или микроотражатели в толще зеркала, которые могут вызвать неправильное отражение света.



Оставался последний вопрос: это были 1960-ые, а Heraeus была немецкой компанией. Вторая мировая война закончилась всего два десятилетия назад. Повлияет ли это на решение немецкой компании? Фаллер лично посетил завод Heraeus в Ханау, в Германии, в 1968 году. Руководители компании, узнав о важности миссии и о том, что выбор стоит между ними и GE, без колебаний согласились сделать высококачественные зеркала для лунного отражателя.

В итоге эксперимент оказался крайне успешным, но не сразу. Удача, вернее ее отсутствие, была главным фактором в первые дни после прилунения. В Обсерватории Лик в Калифорнийском университете Фаллер и его команда ученых и студентов сначала столкнулись с трудностями, потому что Аполлон-11 приземлился за несколько километров от ожидаемого места посадки. Луна была также слишком низко в небе, из-за чего свет сильно рассеивался в атмосфере Земли.

Эксперименты возобновились 1 августа, когда положение Луны на небе оказалось более выгодным. Тогда лазер включался 162 раза, прежде чем были обнаружены какие-либо сигналы от массива уголковых отражателей на Луне. Финальная серия из 120 лазерных импульсов после некоторых корректировок дала 80 обнаруженных возвратов сигнала.

В отличие от «огромного скачка» Нила Армстронга, прогресс команды дальномерщиков измерялся меньшими, более скромными скачками. 1 августа Фаллер с коллегами добились точности в измерении времени возврата луча в 0.1 микросекунду, что позволило установить расстояние до Луны с точностью до восьми метров. Для сравнения, радарный метод, используемый в конце 1950-ых годов, давал точность около 1200 метров. Два дня спустя они улучшили этот результат до шести метров. В итоге точность была снижена до одного миллиметра — и это при том, что расстояние составляет более 300 тысяч километров.

Эксперименты, проведенные с лунными уголковыми отражателями (они также были установлены астронавтами Аполлона-14 и 15), остаются одними из наиболее важных научных достижений миссий Аполлонов, дополняя наше понимание различных областей физики, от общей теории относительности до внутренней структуры Луны. Массив уголковых отражателей остается единственным элементом оборудования, все еще работающим на посадочной площадке Аполлона-11.

Но, как недавно вспоминал Джим Фаллер, первая высадка людей на Луну была результатом не только впечатляющих достижений в науке и технике, но и нескольких моментов удачи. Он сказал: «Наука также содержит потребность в удаче. И программе Аполлонов в то время требовалась удача. И нашей работе, и Аполлонам повезло».