Как усилить сигнал Wi-Fi с помощью адронного коллайдера

Электромагнитное излучение определяет то как мы воспринимаем и взаимодействуем с миром вокруг нас – начиная от эмиссии света, с помощью которой наши глаза могут видеть, и кончая микроволнами, которые переносят сигнал Wi-Fi к вашему ноутбуку или смартфону, на котором вы сейчас читаете эту статью.

На сегодняшний день практически все формы современных коммуникаций обеспечиваются электромагнитными волнами. Они проходят сквозь стены, когда вам надо позвонить по сотовому телефону из своей квартиры – и в то же время отражаются от, казалось бы, чистого воздуха в верхних слоях атмосферы нашей планеты.

Это происходит потому, что на больших высотах атмосфера ионизируется и становится плазмой, которая обладает рядом весьма любопытных свойств. В частности, она сильно реагирует на электромагнитные поля. В данном случае, это чрезвычайно полезно: на достаточно низких частотах возможно отражать радиосигналы от ионосферы, направляя их по всему миру.

Самые мощные электромагнитные волны на нашей планете получают в форме высокоэнергетических лазерных импульсов. Самые мощные лазерные системы Великобритании расположены в сельской местности в Оксфордшире, и ровно та же идея использования электромагнитных волн для ускорения частиц используется в Большом адроном коллайдере в CERN.

Мы можем очень точно предсказывать взаимодействие сильных электромагнитных волн и плазмы благодаря лежащим в его основе уравнениям Максвелла – одному из величайших триумфов физики 19-го века, который позволил соединить электрические и магнитные поля, и показал, что свет является формой волны.

Решение уравнений Максвелла вручную – довольно мучительное занятие, но имея в распоряжении достаточно вычислительной мощности, это можно проделать без особых проблем. Вооружившись знанием уравнений Максвелла, физик плазмы Джейсон Кол из Императорского колледжа Лондона решил разобраться с одной насущной проблемой современности – как улучшить сигнал Wi-Fi в своей квартире. Дальше повествование ведётся от его лица.

Электромагнитное излучение, исходящее от антенны беспроводного роутера, вызывается малым током, осциллирующим с частотой 2.4 ГГц (2.4 миллиарда раз в секунду). В моей модели я задал подобный ток и позволил ему осциллировать, а уравнения Максвелла дали мне возможность предсказать, как будут распространяться возникающие в результате электромагнитные волны. Составив схему точного расположения стен в моей квартире, я смог создать и карту силы Wi-Fi сигнала, которая менялась вместе с перемещением виртуального роутера.

Первой вывод эксперимента оказался весьма очевиден: Wi-Fi сигналы гораздо легче проходят сквозь воздух, чем сквозь стены, а потому идеальная позиция для роутера – на линии прямой видимости с тем местом, где вы собираетесь его использовать.

В ходе работы с симуляцией иногда возникает ощущение, что волны перестают меняться и вместо этого колеблются на одном и том же месте. Это так называемый феномен стоячей волны – в этих точках отражённые волны накладываются и взаимно погашают друг друга. Эти тёмные точки на карте показывают низкий уровень Wi-Fi сигнала, и отделены от зон уверенного приёма буквально несколькими сантиметрами.

Отсюда следует второй и менее очевидный результат эксперимента: если приём в какой-либо конкретной точке очень слаб, даже незначительное изменение позиции роутера даёт существенное улучшение сигнала, поскольку зоны затемнения также сдвинутся с места.

После того, как Кол опубликовал статью со своим маленьким исследованием на ресурсе «The Conversation», его завалили вопросами о том, как провести такую же симуляцию собственными силами. Чтобы дать доступ к методике эксперимента всем желающим, Кол скомпилировал симуляцию в приложение для Android, которое позволяет самостоятельно решить проблему: где же находится лучшее место для Wi-Fi роутера?

http://youtu.be/6hcK9B4HHY8