«Позволяет упаковывать огромные объёмы информации»: учёные — о радио в астрономии и медицине, 6G и технологиях будущего

— Радиоволны — это разновидность электромагнитных волн. От световых они отличаются длиной и частотой. Почему радиоволны не видны человеку?

Профессор кафедры «Общая физика» ПНИПУ, доктор физико-математических наук Виктор Криштоп:

— Человеческий глаз в ходе эволюции приспособился воспринимать лишь очень узкую часть электромагнитного излучения — свет, длина волны которого короткая и составляет примерно от 380 до 750 нанометров. Её можно сравнить с толщиной мыльного пузыря. Всё, что имеет длину волны больше или меньше этого диапазона, наши глаза регистрировать не могут: у нас нет для этого подходящих рецепторов. Радиоволны гораздо длиннее световых — от нескольких миллиметров до сотен километров. Они оказываются за пределами того узкого «окошка», которое способен видеть глаз.

— Радиоволны принято классифицировать по длине. У них разные сферы применения? 

— Это так. Длина самых больших радиоволн сопоставима с размером целого города. Они умеют огибать массивные препятствия, такие как горы и холмы, и эффективно отражаться от верхних слоёв атмосферы, что позволяет им распространяться на огромные расстояния, не теряя мощности. Поэтому их традиционно используют для дальней связи, навигации, например, на маяках, и для передачи сигналов точного времени.

Длина самых коротких радиоволн сопоставима с размером атомного ядра. Они ведут себя иначе: не огибают препятствия, а распространяются по прямой, как луч прожектора, и легко блокируются стенами или листвой. Зато их главное преимущество — высокая частота, что позволяет «упаковывать» в них огромные объёмы информации. Ведь, 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. 

Их используют в Wi-Fi, сотовой связи 5G, спутниковом телевидении и радарах. Преодолеть физические препятствия на пути коротких волн позволяют многократные отражения от окружающих поверхностей.

— Влияют ли погода и температура воздуха на работу радио?

— Летом и в дневное время суток Солнце интенсивнее воздействует на атмосферу Земли. Его ультрафиолетовые лучи выбивают электроны из атомов воздуха, формируя на высоте 60-90 км так называемый D-слой. И когда длинные радиоволны проходят сквозь него, они теряют энергию и ослабевают. Ночью и зимой, когда солнечного излучения практически нет, электроны возвращаются на свои места в атомах воздуха, поэтому волны проходят свободно, обеспечивая более стабильную радиосвязь.

— Тогда почему мы обычно не замечаем разницы?

— Обычно мы слушаем радио на коротких волнах, которые поглощаются значительно меньше, кроме того, используется связь через спутники или проводные линии, которые автоматически регулируют мощность передатчиков. Это позволяет сгладить несовершенства радио в солнечную погоду.

— В астрономии используются радиотелескопы. Каким образом радиоволны помогают изучать космос?

— Радио играет важную роль в астрономии, позволяя учёным «видеть» то, что недоступно обычным телескопам. Многие космические объекты — такие, как холодные облака газа, из которых рождаются звезды, ядра галактик или далёкие пульсары — излучают радиоволны. Специальные приборы на Земле улавливают эти сигналы. Однако такие волны очень слабы. 

Когда они попадают на приёмник, их собственное тепловое излучение создает дополнительные колебания атомов, заглушая и сбивая основной сигнал. Поэтому приёмники приходится охлаждать.

Остужая прибор до значений порядка -258 °C, учёные практически замораживают беспорядочные колебания атомов в металле, делая прибор способным улавливать сигналы мощностью в миллиарды раз слабее, чем тот, что создаёт мобильный телефон. Для этого используются специальные холодильные машины, работающие на жидком гелии, которые позволяют достичь таких сверхнизких температур. 

В итоге астрономы получают возможность определить местоположение и размеры космических объектов, вычисляют скорость их движения, выясняют химический состав межзвёздной среды, видят скрытые за пылью регионы звездообразования и исследуют активность сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик.

— Радио позволило подтвердить теорию Большого взрыва. Как это произошло?

— В 1965 году американские учёные, работая с радиоприёмной системой для связи, обнаружили необъяснимый фоновый шум, который присутствовал независимо от направления антенны. После исключения всех возможных земных и технических источников помех исследователи поняли, что зафиксировали космическое микроволновое излучение, равномерное со всех сторон. 

Подробный анализ данных показал, что обнаруженный сигнал является реликтовым излучением. Это слабые электромагнитные волны, равномерно заполняющие всю Вселенную. Они возникли примерно через 380 тыс. лет после Большого взрыва, когда Вселенная достаточно остыла для того, чтобы фотоны смогли свободно распространяться: до этого материя была в состоянии горячей плотной плазмы.

Это открытие стало одним из ключевых подтверждений теории Большого взрыва и принесло учёным Нобелевскую премию по физике в 1978 году.

— Радиоволны используются и в медицине — где они применяются?

Старший научный сотрудник кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ, кандидат медицинских наук Валерий Литвинов:

— Например, кохлеарный имплант помогает людям с тяжёлой потерей слуха. Он состоит из наружной части — микрофона и радиопередатчика и внутренней — приёмника‑стимулятора и электродов, введённых в ухо. Звук улавливается микрофоном, обрабатывается и кодируется процессором, затем передаётся в виде радиосигналов через кожу к приёмнику. Тот распознает сигнал и преобразует его в электрические импульсы, которые направляются в слуховой нерв — мозг воспринимает их как звуки.

Кардиостимулятор поддерживает нормальный ритм сердца при брадикардии и других нарушениях: он анализирует сердечную активность и при необходимости подаёт корректирующий импульс. Нейростимулятор применяется при болезни Паркинсона и эпилепсии: его электроды, размещённые вблизи нервных окончаний, стимулируют нужные участки нервной системы.

В обоих случаях радиосигналы обеспечивают дистанционное взаимодействие с устройством: через них врачи считывают данные и настраивают параметры (частоту, амплитуду импульсов) без хирургического вмешательства.

— Какие новые технологии на основе радиоволн развиваются сейчас? Станет ли передача данных быстрее или зона покрытия шире?

В.К.: В разработке находится новый стандарт связи — 6G. Для него требуются очень высокочастотные волны, которые позволяют передавать большие массивы данных, но они с трудом проходят сквозь препятствия в виде бетонных стен или подвалов. 

Эту проблему, возможно, решат плоские панели, которые можно вешать на стены зданий. Они ловят падающий сигнал, вычисляют, где находится пользователь, и перенаправляют луч в нужную сторону, создавая стабильное покрытие даже за углом или в «мёртвой зоне». 

Второй прорыв касается мест, где радиосвязь была невозможна в принципе: это глубокие шахты, подземные тоннели, подводные аппараты. Обычной сети мешают скалы, грунт и вода, так как они поглощают энергию.

Здесь нам помогут квантовые антенны. Упрощённо это стеклянная колба с парами металла, например, цезия, которую подсвечивают лазером. Атомы становятся невероятно чувствительными к слабейшим электромагнитным полям. Такая антенна способна уловить радиосигнал, который в тысячи раз слабее того, что ловит обычный смартфон.

Так геологи смогут связаться с поверхностью из туннелей, а спасатели — буквально «услышать» сигнал SOS с телефона человека, оказавшегося под завалом после землетрясения.