Радиофизика как область физики¶

Радиофизика — раздел физики, изучающий генерацию, излучение, распространение, приём и обработку электромагнитных волн радиодиапазона, а также физические процессы и явления, лежащие в основе этих процессов. Она занимает промежуточное положение между классической электродинамикой, теорией колебаний и волн, электроникой и физикой твёрдого тела, а её методы широко применяются в радиосвязи, радиолокации, радиоастрономии и квантовой электронике.

¶Предмет и метод

Радиофизика рассматривает электромагнитные колебания и волны в диапазоне от единиц герц до сотен гигагерц. В отличие от радиотехники, ориентированной на проектирование конкретных устройств, радиофизика исследует фундаментальные закономерности: возбуждение колебаний, их усиление и преобразование, взаимодействие излучения с веществом, распространение волн в неоднородных и случайных средах.

Ключевыми разделами дисциплины являются:

• теория линейных и нелинейных колебаний;
• теория волновых процессов и дифракции;
• статистическая радиофизика и теория флуктуаций;
• электродинамика сплошных сред;
• физика взаимодействия излучения с веществом.

Методологически радиофизика опирается на математический аппарат дифференциальных уравнений, спектрального анализа, теории вероятностей и теории информации.

¶История

Становление радиофизики связано с опытами Генриха Герца (1886–1889), подтвердившими существование электромагнитных волн, и работами Александра Попова, создавшего в 1895 году первый практический радиоприёмник. Первоначально исследования носили прикладной характер и были направлены на увеличение дальности связи.

В 1910–1930-е годы формируется теоретическая база: теория колебаний, работы по распространению радиоволн вокруг Земли, исследования ионосферы. Существенный вклад внесли советские физики — Леонид Мандельштам и Николай Папалекси, создавшие теорию нелинейных колебаний и заложившие основы параметрической генерации.

В послевоенный период радиофизика разделилась на ряд самостоятельных направлений: квантовую электронику (создание мазеров и лазеров, 1954–1960), радиоастрономию, физику плазмы. Развитие вычислительной техники привело к появлению цифровой обработки сигналов и численного моделирования волновых процессов.

¶Классификация направлений

¶Основные понятия

Центральное понятие дисциплины — колебательный контур и его добротность, определяющая остроту резонанса. Для описания волновых процессов используются волновое уравнение, дисперсия, поляризация и интерференция.

Нелинейные эффекты — умножение и деление частот, автоколебания, синхронизация — описываются аппаратом нелинейной динамики. Именно в радиофизике впервые были изучены динамический хаос и странные аттракторы (работы советских исследователей 1960–1970-х годов).

Статистическая радиофизика вводит понятия спектральной плотности мощности, корреляционной функции и отношения сигнал/шум, тесно связанные с теорией информации Клода Шеннона.

¶Применение

Практические приложения радиофизики охватывают:

• радиосвязь и телевидение, включая спутниковые системы;
• радиолокацию и радионавигацию;
• радиоастрономию и дистанционное зондирование Земли;
• медицинскую диагностику (магнитно-резонансная томография, СВЧ-терапия);
• квантовую электронику и лазерную технику;
• системы радиоэлектронной борьбы.

Методы радиофизики используются при создании ускорителей элементарных частиц, в физике плазмы и при исследовании свойств материалов в сверхвысокочастотных полях.

¶Образование и научные центры

В России радиофизика преподаётся на физических и радиотехнических факультетах университетов. Крупнейшие научные школы сформировались в Московском государственном университете, Московском физико-техническом институте, Нижегородском государственном университете (Институт прикладной физики РАН), Саратовском и Томском университетах.

Значительный вклад в развитие дисциплины внесли Виталий Гинзбург, Александр Прохоров, Николай Басов (лауреаты Нобелевской премии по физике 1964 года за работы по квантовой электронике), а также Рем Хохлов и Сергей Капица.

¶Связь со смежными дисциплинами

Радиофизика тесно взаимодействует с акустикой (общность волновых уравнений), оптикой (вплоть до формирования единой нелинейной волновой теории), теорией управления и обработкой сигналов. Многие методы, разработанные для радиоволн, позднее были перенесены в акустику, гидродинамику и сейсмологию.

¶Источники

• Горелик Г. С. Колебания и волны.
• Мигулин В. В., Медведев В. И., Мустель Е. Р., Парыгин В. Н. Основы теории колебаний.
• Вайнштейн Л. А., Вакман Д. Е. Разделение частот в теории колебаний и волн.
• Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме.
• Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике.