Ко Дню радио инженер-лаборант кафедры радиофизики и теоретической физики АлтГУ, кандидат физико-математических наук Всеволод Щербинин объяснил, как работают радиоволны, как радиоволна «переносит» музыку и видео. И правда ли, что через несколько лет ваш Wi-Fi-роутер сможет видеть, спите вы или уже проснулись?

- 7 мая 1895 года Попов продемонстрировал первый радиоприемник. Если объяснять «на пальцах»: что именно произошло в тот момент, и почему это было прорывом, а не просто «еще одним опытом»?

- Александр Степанович Попов действовал в духе своих предшественников: регистрировал электромагнитное излучение, создаваемое простыми антеннами, на которые подавался короткий импульс тока (искровой разряд). В отличие от предшествующих образцов, приемник Попова после регистрации импульса автоматически возвращал когерер (чувствительный элемент) в исходное состояние за счет механического удара бойка звонка по трубке с металлическими опилками. Это превратило устройство из простого индикатора электромагнитных волн в полноценный регистрирующий аппарат, способный принимать последовательности импульсов любой длины - фактически создав основу для радиотелеграфии. С этой точки зрения можно считать данный аппарат прорывом: вместо периодического опроса состояния или принудительного сброса по таймеру Попов фактически предложил систему с прерыванием по сигналу - такая логика работы широко применяется в современной коммуникационной отрасли. Аппараты, сконструированные аналогично прибору Попова, широко использовались даже во время Первой мировой войны, несмотря на появление более совершенных детекторных приемников уже в 1904 году.

- Как бы вы объяснили человеку без технического образования: как радиоволна «переносит» голос, музыку или видео? Есть ли у вас любимая бытовая аналогия?

- Волна распространяется сама по себе - такова уж ее природа. Однако мы можем направить волну туда, куда нам необходимо, использовав соответствующую антенну. Голос и музыка — это звуковые колебания воздуха (звуковое давление). Чтобы передать их через радиоволну, мы сначала превращаем звук с помощью микрофона в электрический сигнал (переменный ток), который повторяет все изгибы вашего голоса. Затем этот ток используется для управления характеристиками мощной высокочастотной волны – меняется её амплитуда (высота) или частота в такт звуку (этот процесс называется модуляцией). В итоге радиоволна становится «несущей»: она несет на себе отпечаток вашего голоса. Приемник же просто делает обратное: выделяет эти изменения из волны и превращает их снова в ток, а затем — через динамик — обратно в звук. Для изображения и видеосигнала передачу по радиоволнам проще объяснить для цифровых данных: поскольку графические файлы и видеоролики представляют собой последовательности нулей и единиц, которые как-то интерпретирует компьютерная программа, мы можем передавать нули волной одной частоты, а единицы - волной другой частоты, попеременно включая то один, то другой передатчик. Тогда приемник будет определять частоту, которую в данный момент принимает, и в соответствии с этим передавать на свой выход единицу или нуль. Бытовая аналогия - мигающий фонарик. Если фонарик светит ровным светом (несущая частота), информации нет. Но если вы начнете быстро мигать им, передавая ритм песни, — свет остается тем же самым физическим явлением (фотонами), но он начинает переносить информацию. Фонарик здесь как радиостанция, а ваши глаза и мозг в этом случае работают как приёмник.

-  Если читатель захочет «увидеть» радиоволны своими глазами — есть ли простой домашний эксперимент, который это позволит?

- Увидеть радиоволны своими глазами нельзя из-за огромной их длины по сравнению с разрешением нашего глаза, однако можно повторить опыт Попова при наличии средневолнового радиоприемника и зажигалки. Радиоприемник необходимо настроить на частоту, на которой не вещает ни одна радиостанция (в динамике вы будете слышать шипение). А затем пощелкать зажигалой вблизи антенны: приемник начнет издавать щелкающие звуки. Примерно так работали искровые радиопередатчики времен Первой мировой войны.

- Какие принципы передачи сигналов, заложенные тогда, работают до сих пор — даже в смартфонах и спутниках?

- Кроме собственно переноса информации с помощью электромагнитных волн, именно Попов, как я уже говорил, первым реализовал систему с прерыванием по сигналу. Во многих современных системах связи и телерадиовещания используется такая логика работы.

- Где еще используются радиоволны, но мы об этом можем не подозревать? МРТ? Беспроводные зарядки? Радары?

– С беспроводными зарядками всё просто - они работают не на радиоволнах в привычном смысле (как сигнал), а за счет магнитной индукции, так что это электромагнитное взаимодействие, но не радиоволна. А вот аппарат МРТ, напротив, напрямую использует радиоволны! Чтобы получить изображение органов, аппарат посылает мощные короткие радиоимпульсы определенной частоты (сотни мегагерц), которые взаимодействуют с атомами водорода в нашем теле. Где еще? Кроме очевидного применения в связи и телерадиовещании, радиоволны широко используются в микроволновых печах. Основным элементом каждой микроволновой печи является магнетрон, который когда-то был изобретен и совершенствовался как источник мощных радиоволн для радиопередатчиков и радиолокаторов. Также радиоволны используются в системах бесконтактных платежей, для бесконтактной идентификации товаров в магазинах и на складах. Радиолокация используется в системах автоматического торможения автомобилей, которые активно разрабатываются и понемногу внедряются в практику в наши дни.

- Какие технологии, рожденные в лабораториях радиофизиков сегодня, через 5–10 лет могут появиться в наших домах — так же, как когда-то появилось радио?

- Радиофизика сейчас движется от связи к зондированию объектов и анализу их структуры и состава. Через несколько лет наш дом, возможно, станет одним большим радаром. Благодаря технологии Wi-Fi Sensing, роутеры смогут видеть: определять по микроколебаниям воздуха, спите вы или проснулись, не упал ли кто-то в другой комнате - и все это без камер. Параллельно мы увидим конец эпохи батареек для мелких гаджетов. Технология Energy Harvesting позволит датчикам питаться прямо из воздуха, собирая энергию фоновых сигналов связи, превращая энергию волн в пространстве в электричество. И, наконец, терагерцовые волны позволят создать домашние «сканеры состава», которые по спектру радиоотражения скажут, свежее ли мясо или сколько сахара реально содержится во фрукте.