电磁辐射——听起来或许像是最好避而远之的东西，但各种电磁波支撑着我们的感官以及我们与世界的互动：从眼睛借以感知这些文字的光，到将 Wi-Fi 信号传送到你正在阅读本文的笔记本电脑或手机上的微波。
现代通信几乎无一不是通过电磁波传输的。电磁波穿过你汽车的天线；当你需要在室内打电话时，它们会穿墙传播，却也会莫名其妙地从 地球高层大气中看似空无一物的地方反射回来。
这是因为在高海拔地区，大气会变成 等离子体 ——一种物质状态，在这种状态下，原子会分裂，电子不再受其所属原子核束缚。等离子体具有有趣的性质，因为它们会对电磁场产生强烈反应。在这里，这一点很有用：当频率足够低时，无线电信号可以在全球范围内反射传播，从而扩大覆盖范围。
我和我的 研究小组 研究高功率电磁波与等离子体之间有趣的相互作用。世界上最强烈的电磁波以高功率激光脉冲的形式出现。英国在 牛津郡乡村地区拥有一些最强大的激光系统；利用电磁波加速粒子的同一原理，也应用于 欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。
一切都在数学之中
我们可以准确预测强烈电磁波与等离子体之间的相互作用，因为其背后的物理过程受 麦克斯韦方程组 支配。麦克斯韦方程组是19世纪物理学的伟大成就之一，它统一了电场和磁场，并证明光是一种电磁波。
手工求解麦克斯韦方程组可能十分繁琐，但后来发现，20世纪60年代发明、此后又 重新发现的巧妙算法 ， 只要有足够强大的计算机 ，就能让这项工作相对简单。
掌握麦克斯韦方程组及其求解方法后，我最近把注意力转向一个简单得多、却更普遍的问题：如何模拟并由此改善 我公寓里的 Wi-Fi 接收效果。在学术语境中，“足够强大”往往意味着有数万处理器并行运行的超级计算机；但在这个案例中，运行程序所需的足够强大的计算机竟然只是一部智能手机。
要施展这个妙招，你需要一个麦克斯韦
无线路由器天线发出的电磁辐射，是由一个以 2.4GHz（每秒 24 亿次）的频率振荡的小电流产生的。在我的模型中，我引入了这样的电流并让它振荡，而麦克斯韦方程组则决定了由此产生的电磁波如何传播。通过将公寓墙壁的实际位置纳入模型，我得以绘制出 Wi-Fi 信号强度图，并观察其如何随着虚拟路由器位置的移动而变化。
第一个教训很明确，虽然也显而易见：Wi-Fi 信号在自由空间中的传播远比穿墙容易，因此，理想的路由器位置应当能够直视你使用设备的地方。
有时，波看起来似乎停止了变化，而是在同一位置闪烁。这就是 驻波现象：Wi-Fi 反射波相互重叠并彼此抵消。图中的这些暗点（也就是“信号盲点”）表示 Wi-Fi 信号较弱，彼此相距数厘米。最近，一位同好成功绘制出了这一现象的三维图，具体说明见 这段视频。
因此，第二个教训不那么显而易见，也更有意思：如果某个位置的接收效果较差，即使只是稍微调整路由器的位置，也可能显著增强信号，因为信号暗点也会随之移动。
电磁波的101种用途
发表研究结果后，我惊讶地发现，许多人都迫切想要进行自己的模拟。为了传播电磁学的理念，我一向乐此不疲，于是 将模拟程序打包成一款 Android 应用 ，让其他人也能借助基于电磁波模拟的方案，解决一个常见的现代问题：我的 Wi-Fi 路由器放在哪里最好？
我原以为不会有多少人感兴趣；当消息通过社交媒体传开，而且这款应用在几个小时内就售出数千份时，我感到十分意外。
销量逐渐减少，但传达的信息依然明确：电磁波不仅迷人、数学上优雅且极其有用，还能让生活更轻松、网络连接更强，甚至还能让你赚点钱。
本文由 The Conversation合作发布。请阅读 原文。
本文的发布并不代表世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：Jason Cole 是伦敦帝国理工学院的博士生。
图片：一幅插图显示一名男子手持笔记本电脑，身上投射着二进制代码。路透社
