炎炎夏日,当你在家里躺着,一边吹着空调,一边惬意地刷着手机,手机里流畅地播放着视频,视频的数据来自互联网的另一端。你并不知道那一端在哪里,但是你知道数据到达你家里的Wi-Fi以后,传向家里的每个角落,你或躺或坐,或立或卧,这些海量的数据都可以传到你的手机里。
在你享受现代信息科技成果的时候,你有没有想过,这些数据是怎么传过来的呢?
无论是视频数据从Wi-Fi传到你的手机,还是你朋友的声音从他的话筒传到他小区旁边的信号塔,再通过你这边的信号塔传到你的手机听筒里,这些过程,都是怎样发生的呢?这些信息,都是借助什么媒介、什么方式传播的呢?
这一切,都要归功于一样东西——电磁波。无论是你在家时Wi-Fi向你的手机发射信号,还是你不在家时手机和信号塔的信息交换,都是通过电磁波,这种你看不见的媒介就是传播信息的载体。
天线可以把电磁波以光速传向四面八方,也可以接收来自四面八方的电磁波,无论是30年前的天线电视机,还是20年前的“大哥大”,或者是今天的智能手机,用的都是电磁波。
为什么电磁波是信息时代的基石呢?
首先,我们来理解波是怎样承载信息的。当你发出声音的时候,声带振动[33],振动的声带会带动周围的空气振动,周围的空气再带动更远处的空气振动,空气中的振动连续传递,一直传递到别人耳朵里,带动鼓膜振动;鼓膜紧挨着听小骨,这几块人体中最精细的骨头会将鼓膜的振动传导到耳蜗的神经处,神经信号传进大脑,你的朋友就听到了你的声音。而你发出的声音里,每个字的音调都不同,也就是振动的频率[34]不同,那么空气振动的频率也不一样,相应地,最终传到你朋友的大脑中的神经信号也各不一样。朋友的大脑解析出了这些信号对应的含义,也就听懂了你对他说的话。
上面是空气中传播的声波携带信息的例子,但是,声波这种最原始的信息传递方式却受到诸多限制。
声波在空气中传播是会逐渐减弱的,假设你搅动平静的水面,你会发现水波扩散出去以后,振动幅度会越来越小,这是因为水之间有相对运动的时候,是有阻力的,这种阻力会让波的振幅越来越小。声音也是一样,在空气中传播,空气和水都是流体,都会有这种阻力,因此,你会发现距离声源越远的地方,听到的声音越微弱,你喊得再大声,如果间隔上几百米,也难以听清。
那么,如果电磁场振动起来呢?
电磁场的振动,也会产生波然后传播出去,就像声带振动、声波传播出去的时候一样。而和声波不同的是,电磁场的振动并不会受到空气中的阻力影响,它可以传播很远而没有太多衰减,因此,电磁波自然就比声音更适合用来做信息的载体。
此外,声音的传播速度并不够快。空气中声速只有每秒340米,如果声波从北京传到1200千米外的上海,需要3500多秒,大约一个小时,这个时长根本无法完成实时通信,你这边说完一句话,对方要一个小时才能听到,两个小时才能完成一句对话;然而电磁波的传播速度跟光速一样,约30万千米每秒,信息从北京传到地球另一端的布宜诺斯艾利斯[35]也仅仅需要0.067秒。
从以上两个特点可以看出,电磁波显然更适合用来传递信息。然而,我们是怎么从“通信基本靠吼”的年代,进入使用电磁波的年代的呢?