Сегодня, 7 мая, отмечается День радио. Оно давно стало частью повседневной жизни, хотя большинство людей этого даже не замечает. Радиоволны используются в смартфонах, Wi-Fi, навигаторах, беспроводных наушниках, системах связи самолетов и даже в медицинских приборах вроде кардиостимуляторов.
О том, почему радиоволны невозможно увидеть, как они помогают изучать Вселенную, поддерживают работу медицинских приборов и почему связь лучше работает зимой и ночью, рассказали ученые Пермского Политеха.
Радиоволны ‒ это невидимый свет
С научной точки зрения радио относится к тем же электромагнитным волнам, что и обычный свет, рентгеновское, инфракрасное или ультрафиолетовое излучение. Разница между ними заключается только в длине волны и частоте.
При этом человеческий глаз способен воспринимать лишь очень маленькую часть этого спектра.
«Человеческий глаз в ходе эволюции приспособился воспринимать лишь очень узкую часть такого излучения ‒ свет, длина волны которого короткая и составляет примерно от 380 до 750 нанометров. Ее можно сравнить с толщиной мыльного пузыря. Все, что имеет длину волны больше или меньше этого диапазона, наши глаза регистрировать не могут: у нас просто нет для этого подходящих рецепторов», ‒ объясняет профессор кафедры «Общая физика» ПНИПУ, доктор физико-математических наук Виктор Криштоп.
По словам ученого, длина радиоволн может достигать от нескольких миллиметров до сотен километров, поэтому человек физически не способен их увидеть.
Какими бывают радиоволны
Радиоволны отличаются друг от друга длиной, и именно от этого зависит, где и как их используют. Самые длинные радиоволны могут достигать от десяти до ста километров ‒ это сопоставимо с размером целого города. Благодаря такой длине они способны огибать препятствия вроде гор и холмов, а также отражаться от верхних слоев атмосферы.
«Именно поэтому их традиционно используют для дальней связи, навигации, например, на маяках, и для передачи сигналов точного времени», ‒ рассказывает Криштоп.
Короткие радиоволны устроены иначе. Их длина составляет всего от одного до десяти миллиметров ‒ примерно как размер крупной бактерии. Такие волны распространяются почти по прямой и хуже проходят через стены или деревья, однако позволяют передавать значительно больше информации.
«Чем короче длина волны, тем больше колебаний укладывается в одну секунду и, значит, тем больше данных можно на них «записать» ‒ как частый стук позволяет передать больше букв азбуки Морзе», ‒ продолжает ученый.
Именно на коротких радиоволнах работают современные технологии ‒ Wi-Fi, мобильная связь 5G, спутниковое телевидение и радары.
Почему радио лучше работает ночью и зимой
Как объясняют ученые, на качество радиосвязи напрямую влияет Солнце. Летом и днем его излучение сильнее воздействует на атмосферу Земли, из-за чего длинные радиоволны начинают терять энергию.
«Ночью и зимой, когда солнечного излучения практически нет, электроны возвращаются на свои места в атомах воздуха, поэтому волны проходят свободно, обеспечивая более стабильную радиосвязь», ‒ отмечает профессор ПНИПУ.
При этом большинство людей почти не замечает этой разницы. По словам ученого, современная связь работает в основном на коротких волнах, которые меньше зависят от солнечного воздействия. Кроме того, сегодня активно используются спутники и системы автоматической регулировки сигнала.
Как радио помогает изучать космос
Радиоволны играют важную роль в изучении Вселенной. С их помощью ученые могут наблюдать объекты, которые невозможно увидеть обычными телескопами ‒ например, холодные облака газа, далекие пульсары или области рождения новых звезд.
Проблема в том, что такие сигналы очень слабые, поэтому оборудование для их приема приходится специально охлаждать почти до абсолютного нуля.
«Остужая прибор до значений в -258 °C, ученые практически замораживают беспорядочные колебания атомов в металле, делая прибор способным улавливать сигналы мощностью в миллиарды раз слабее, чем тот, что создает мобильный телефон. Для этого используются специальные холодильные машины, работающие на жидком гелии, которые позволяют достичь таких сверхнизких температур», ‒ отметил Виктор Криштоп.
По словам ученого, благодаря таким технологиям астрономы могут определять размеры и местоположение космических объектов, изучать химический состав межзвездной среды и даже исследовать активность сверхмассивных черных дыр в центрах галактик.
Радио подтвердило теорию Большого взрыва
Одно из важнейших открытий в истории астрономии также связано с радиоволнами. В 1965 году американские ученые во время работы с радиоприемной системой обнаружили странный фоновый шум, который поступал со всех сторон независимо от положения антенны.
После проверки оборудования и исключения всех возможных помех исследователи пришли к выводу, что зафиксировали реликтовое излучение ‒ слабые электромагнитные волны, оставшиеся после ранних этапов существования Вселенной.
«Они возникли примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва, когда Вселенная достаточно остыла для того, чтобы фотоны смогли свободно распространяться: до этого момента материя была в состоянии горячей плотной плазмы», ‒ прокомментировал спикер.
Это открытие стало одним из главных подтверждений теории Большого взрыва, а позже принесло ученым Нобелевскую премию по физике.
Радиоволны помогают слышать и поддерживают работу сердца
Радиотехнологии активно используются в медицине. С их помощью работают устройства, которые помогают людям слышать, поддерживают нормальный ритм сердца и применяются при лечении неврологических заболеваний.
«Например, кохлеарный имплант помогает людям с тяжелой потерей слуха: он состоит из наружной части ‒ микрофона и радиопередатчика ‒ и внутренней ‒ приемника‑стимулятора и электродов, введенных в ухо. Звук улавливается микрофоном, обрабатывается и кодируется процессором, затем передается в виде радиосигналов через кожу к приемнику. Тот распознает сигнал и преобразует его в электрические импульсы, которые направляются в слуховой нерв ‒ мозг воспринимает их как звуки», ‒ сообщил старший научный сотрудник кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ, кандидат медицинских наук Валерий Литвинов.
По похожему принципу работают кардиостимуляторы и нейростимуляторы. Радиосвязь позволяет врачам дистанционно считывать данные и настраивать параметры устройств без хирургического вмешательства. Такие технологии применяются, например, при нарушениях сердечного ритма, болезни Паркинсона и эпилепсии.
Каким может стать радио будущего
Ученые отмечают, что технологии радиосвязи продолжают активно развиваться. Сейчас специалисты работают над новым стандартом связи 6G, который позволит передавать еще больше данных на сверхвысоких частотах.
Однако у таких технологий есть проблема: сигнал хуже проходит через стены, подвалы и другие препятствия.
По словам ученых, решить проблему могут специальные интеллектуальные панели, которые будут перенаправлять сигнал в сторону пользователя и обеспечивать стабильную связь даже в «мертвых зонах».
Еще одной перспективной разработкой специалисты называют квантовые антенны. Такие устройства способны улавливать крайне слабые сигналы там, где обычная связь почти не работает ‒ например, под землей, в шахтах, тоннелях или под водой.
Материал предоставила пресс-служба Пермского Политеха