第 3 讲：波撞到墙之后会发生什么
第 3 讲：波撞到墙之后会发生什么
《看不见的光：从电磁波到你家 WiFi》系列 · 第 1 讲
《看不见的光：从电磁波到你家 WiFi》系列 · 第 2 讲
《看不见的光：从电磁波到你家 WiFi》系列 · 第 3 讲
接着上一讲说
上一讲结尾，我们让那块"看不见的波纹地毯"撞向了一面墙。现在镜头拉近，慢动作回放：撞上去的那一刻，到底发生了什么？
直觉上的答案大概是"被挡住了"。但物理上，事情比"挡住"细致得多。一束电磁波撞到一堵墙，几乎从不是"全部反弹"或"全部穿过"——它几乎总是同时做三件事。
同时发生的三件事
撞上去之后，原本一份能量，会被分成三份：
- 反射回来一部分，像光照在镜子上，沿着对称的角度弹走。
- 透过墙到另一边一部分，能量比入射时小，但形状上还是同一束波。
- 被墙吸收掉一部分，变成热——是的，墙真的会因此微微变热，只是量级太小，你摸不出来。
这三份的比例由墙说了算：墙是什么材料、有多厚、含不含金属、含不含水，决定了这一份能量怎么三七开还是九一开。同样的 WiFi 波，撞上不同的东西，会有完全不同的命运。
不同东西撞上去会怎样
把家里常见的几种东西排一下，体感会清楚很多。下面说的都是 2.4 GHz 这种 WiFi 频段附近的大致表现，不是绝对数值，墙的厚度、湿度、有没有钢筋都会让结果浮动。
金属：几乎全部反射。 冰箱、防盗门、暖气片、装修里的镀铝隔热层，对 WiFi 来说都是一面镜子。电磁波遇到金属表面，里面的自由电子会瞬间反应，把入射的电场抵消掉，能量几乎被原样弹回。如果你的路由器正好被一块大铁皮挡住，背面的信号通常会塌一大截。
钢筋混凝土：反射 + 吸收，透射很少。 承重墙不仅厚，而且里面是钢筋骨架。波先在表面反射掉一部分，剩下的进入混凝土，被里面的湿气和钢筋持续削弱，能从另一面挤出来的，往往只有零头。这就是为什么家里隔一堵承重墙，信号常常掉三四十个 dB——功率可能只剩入射时的千分之一到万分之一。
砖墙、轻体墙：以透射和吸收为主。 红砖、空心砖、石膏板这些非金属、含水量不高的材料，对 WiFi 来说算"半透明"。波能挤过去，只是会变弱一些。家用路由器在客厅穿过一两堵这种墙，到卧室还能用，靠的就是这一点。
玻璃：大部分透射，但 Low-E 玻璃是例外。 普通窗玻璃对 WiFi 来说基本透明，跟可见光对它"基本透明"是一回事。但很多新装修用的中空 Low-E 玻璃为了节能，镀了一层极薄的金属膜——可见光大部分能过，红外被挡，WiFi 也被挡得很厉害。如果你发现阳台 WiFi 总是飘忽，窗户类型可能就是凶手。
木门、家具：阻力很小。 干燥的木材对 2.4 GHz 几乎是温和的，能量损失不大。门关着和门开着，WiFi 强度差别远没有你想象的大，至少没有"穿过一堵承重墙"那么戏剧性。
水和你自己：会明显吸收。 水不是只在某一个频点才吸收微波，而是在这一大片微波频段里都有介电损耗；频率越高、材料越厚，损耗往往越明显。鱼缸、水管、人体——人体里大部分是水——都会削弱 WiFi。一个客厅站满人的时候，WiFi 信号会比空房间时弱一截，就是这个原因。
把这张表合起来看，会发现一个朴素的规律：含金属的东西反射，含水的东西吸收，干燥的非金属材料让波过得最痛快。
顺便说说微波炉
家里那台微波炉，工作频率正好就是 2.45 GHz，跟 WiFi 的 2.4 GHz 几乎贴在一起。这不是巧合，也不是阴谋，但也不是因为水分子在 2.45 GHz 有一个神秘的"共振点"。更准确地说，2.45 GHz 属于全球通用的 ISM 频段，工业、科研、医疗设备可以在这里发射能量；同时，含水食物在这个频率附近确实有足够明显的介电损耗，既能被加热，又不至于只把表面烤热。
所以微波炉本质上就是一个故意把微波能量喂给含水食物的电磁波发射器，外面再包一层金属屏蔽腔，免得它泄漏出去骚扰你的 WiFi（虽然旧微波炉漏一点是常事，家里微波炉运行时你 2.4G 卡一下，多半就是这个原因）。
这件事顺便说明了为什么人体会削弱 WiFi。你身上 60% 多是水，含水量比一堵砖墙高得多。WiFi 信号穿过你，就像一束极弱的微波穿过一团含水组织——只是功率小到完全不会让你"暖"起来，其中一部分会被吸收成极微小的热，另一部分会被反射、散射，或者从你身边绕过去。
如果你在家里走动时手机信号格在跳，很大一部分原因就是你自己挡在了路由器和手机之间。
多径：一份信号沿着无数条路走过来
刚才的图把场景画得太干净了：一束波，一面墙，三件事。真实的客厅是另一回事。
路由器一发射，信号就向四面八方扩散。墙、地板、天花板、衣柜、冰箱——每一面都是一个潜在的反射面。结果是：你手机收到的不是一份信号，而是很多份，每一份走了不同的路，到达时间不同、强弱不同、相位不同。
这种现象叫多径（multipath）。
多径对你日常体验最直接的后果，是房间里会出现一片片强弱不均的干涉斑。通信里常把这种起伏叫多径衰落；如果只看空间里的强弱分布，它又很像一张看不见的驻波图。你大概体验过这件事：
蹲在沙发上 WiFi 满格，挪到旁边五十厘米，突然变成一格。
这不是路由器抽风，也不是你手机有问题。是因为，到达你那个位置的几路反射信号，在新位置上叠加方式变了。两束波相遇时，如果它们正好在那个空间点上"步调一致"，加起来更强；如果"步调相反"，则相互抵消。WiFi 的波长大约 12.5 厘米，意味着空间里每隔几厘米，信号叠加的结果就可能明显不同。
整个房间里，WiFi 强度其实是一张充满高低起伏的"地形图"，有的小区域是亮斑，有的小区域是暗斑。亮和暗之间的距离，往往就在十几厘米的尺度。你挪半步穿过几条暗带，信号自然抖一下。
也正因如此，"找一个 WiFi 死角"和"找一个 WiFi 旺角"在物理上是同一件事的两面。任何一个房间都会有它们，无论路由器多贵。
频率越高，越像"光"
记住第 2 讲那张波长表：2.4 GHz 是 12.5 cm，5 GHz 是 6 cm，6 GHz 是 5 cm。
波长越短，电磁波就越"光"——它眼里的世界更像被一束手电筒照亮，遇到障碍直来直去，绕不过去，反射时也更接近我们熟悉的"镜子反射"。同样一堵墙，同样一扇 Low-E 玻璃，5 GHz 通常比 2.4 GHz 更难穿，到了 6 GHz 又更难一些。这不是因为高频"能量小"——其实单个高频光子能量更大——而是因为短波长对障碍物更敏感，更容易在表面反射或被吸收。
反过来，长波长就更"原始波"——更容易绕过障碍，更容易从缝隙里挤过去，更容易在房间里散得到处都是。这就是为什么 2.4 GHz 在覆盖上一直比 5 GHz 占便宜：它"看见的世界"更模糊，反而对路上的小障碍不那么计较。
但 2.4 GHz 也有它的代价——拥挤、可用带宽窄、容易被微波炉骚扰。这些代价我们留到后面讲频段和信道时再算。
一些可以马上验证的小事
下次你在家里折腾 WiFi 信号，可以拿这一讲的东西做几个小实验：
- 把手机贴在金属冰箱另一侧，记一下信号强度；再隔着木门走同样的距离，比较一下。差别会比你预期得大。
- 鱼缸或大水桶后面放手机，看 5 GHz 的连接质量。能感受到水的"胃口"。
- 客厅站满人的时候和空着的时候各 ping 一次路由器，看延迟和丢包。
- 在沙发上慢慢挪动手机，看信号格的变化。每次明显变化之间的距离，常常就是几厘米到十几厘米——那是 WiFi 波长在你客厅里留下的尺度。
这些差异不是抽象的物理学，是你家里随时在发生的事。
到这里为止，我们已经说清楚了：电磁波撞到东西，能量怎么分；不同材料怎么挑食；为什么挪半步信号会抖。
但有一件事还没解释——长波为什么能"绕过"障碍？为什么 2.4 GHz 在客厅里像水一样到处都是，而可见光只能直来直去地照出阴影？
这件事得专门讲一讲。它叫衍射。