電磁輻射這個東西聽起來好像是最好能避免接觸的東西,但各種電磁波實際上能增強我們感知、與世界的互動的能力。從你閱讀屏幕上的文字光輻射進眼睛到給電腦或手機帶來wifi信號的微波,這些輻射從來沒有真正被我們隔離過。

none

現代通信或多或少都需要以各種電磁波形式的方式運載,它們通過車上的天線極速傳送,每次想打電話時都會穿過牆壁,最後又莫名其妙地被上層大氣折射。

這是因為高海拔的大氣會成為等離子氣體,等離子氣體是被分離的原子,電荷與母核分開的狀態。等離子具有一些有趣的性質,會對電磁場有非常強烈的反應。所以當等離子氣體層低到一定程度就有可能反彈無線電信號,讓它們的波長範圍變大。

none

我(原作者)和我的團隊研究的就是高性能電磁波與等離子態之間的有趣互動。世界最強的電磁波已經在高功率激光脈衝中發現,英國牛津郡搞過一些最強激光系統,觀念相同的利用電磁波讓粒子加速運動的原理也在歐洲核子研究中心發明的歐洲大型強子對撞機(Large Hadron Collider)中應用。

我們可以用麥克斯韋方程組(Maxwell's equations)準確預測強烈的電磁波與等離子體的相互作用,麥克維斯方程組是19世紀電和磁物理學巨大成功,證明了光是電磁波的一種形式。

手算麥克維斯方程組是件麻煩事,但20世紀60年代發明的一個聰明的算法可以讓這個複雜的運算交給電腦輕鬆完成。知道麥克維斯方程組和解決問題的方法之後,我最近又把注意力轉移到了一個更簡單卻普遍存在的問題上,那就是怎麼提高我住的公寓wifi信號接收強度。「強大」的學術意識常常意味著成千上萬處理器、超級電腦要同時並行運行,這種情況下,你需要一個足夠強大的計算機為了智能手機而運行程序。這時,你需要一個麥克斯韋。

從無線路由器的天線放射出的電磁輻射是由一個小電流振盪(2.4GHz,每秒24億次)引起的,在我的模型裡引入了這樣一種電流,並讓它振動起來,麥克斯韋方程組決定它會如何產生電磁波流。通過繪製我的公寓各面牆所在的實際位置,我可以根據不同的虛擬路由器位置繪製出wifi信號強弱圖。

 

第一點很明顯:wifi信號在自由空間的傳播速度比牆壁好,所以理想的路由器位置是放在你使用wifi的地方視野範圍內。

有時候路由器會出現電磁波不變的情況一直在同一個地方閃爍,這是駐波的現象,wifi反射重疊並相互抵消。地圖上的黑點表示wifi信號弱,而且有幾釐米間隔。最近有個跟我一樣狂熱的分子成功在三維圖中把這一現象畫了出來,請看下圖:

none

那麼第二點來了,這個不那麼明顯但是更有意思:如果在某個特定位置接收很差,路由器只要稍微挪一點位置也能讓信號強度顯著改善,信號圖的黑點也會變動。

當我把觀察結果公佈出來以後,被大量急於做自己的模擬實驗的人嚇到了。我曾經為了傳播這個電磁福音在一個安卓APP裡面捆綁了這個模擬讓其它人能利用電磁波原理解決常見的路由器問題:無線路由到底放哪好?

我想過會有點人對這個感興趣,但卻低估了人數——這個APP在幾個小時裡就引來了幾千山寨版,並在社交媒體上廣為流傳。雖然這些應用的銷售量在逐步減少,但在這背後我們可以清楚地看到:電磁波不僅令人著迷,在計算上講究並且極為有用。它們能讓你的生活更輕鬆,讓網絡連接更穩固甚至還能幫你賺點小錢。