自從5G被推上網絡熱點的時候，民族企業華為也被推上風口浪尖，關於華為的一切好的壞的都成為網絡熱點討論問題。剛好最近給學生講到信息傳遞，我們就從物理學的角度學習一下為什麼要推行5G通信？有什麼的改變？會帶來哪些機遇？
暫時放下民族情懷，冷靜思考下為什麼美國會全方位全角度力壓華為，美國政要不管在任何場所都會詆毀華為，並不是因為華為是一家中國企業，而是這家企業一定擁有對美國構成極大威脅的技術。
這就要從2017年國際電信標準組織3GPP RAN第78次全體會議上說起，在這次會議上5G NR 首發版本正式凍結並發布，這是全球第一個可商用部署的5G標準。3GPP是5G標準的主導方，是一個匯聚了運營商、設備商、晶片商等行業巨頭的全球頂級俱樂部裡，就有中國的三大運營商（移動、聯通和電信）以及華為、中心兩大設備商。
（3GPP 全會現場）
非常讓人震驚的是，中國移動作為唯一報告人和協議主編，領導完成了5G空口場景和需求研究，輸出5G空口技術綱領性文件，後續所有技術研發和標準化均以此文件為準繩。華為作為設備商，在5G技術的開發上具有較大的優勢，綜合來看，在5G標準上中國具備引領全球的實力。
這讓美國人民內心失衡，就像你一直在班級裡名列前茅，但是班裡有個後進生一直在刻苦努力，但跟你相比成績依然有較大的差距，你也根本不會在意。可是，再一次重要考試當中，這個後進生直接超越你考了全班第一，你一時難以接受，便想盡各種辦法詆毀他，說他作弊。班主任開班會，讓你拿出他作弊的證據，你雖然拿不出但依然堅信後進生作弊，而且拉了幾個關係好的互相證明，後進生作弊。
美國人民就這個心態，1G、2G時代中國完全是小弟弟，中國的通信技術跟隨者美國玩，美國說啥就是啥，只要讓我用我無話可說。到了3G時代中國提出了TD-SCDMA算是有了說話的權利，但也是爭議頗大，再後來到4G時代中國主導的TD-LTE則與另一大國際標準平起平坐，然後悶聲發大財，低頭繼續往前搞5G，然後出現了現在的局面。
現在拿出手機可以聽音樂、可以看電影、可以聊天也可以在網上進行各項操作，比如行動支付，帶上手機就可以走天下。雖然手機的功能萬千，但得有一個必要條件：有網。
生活中肯定有有這樣的體驗，正在和朋友電話聊天，進電梯後就聽不到聲音，肯定會說：「信號不好」或「網不好」。這裡所說的信號或網其實就是電磁波，電磁波在信息的傳遞中扮演著非常重要的角色，所以要研究信息的傳遞，就得先研究電磁波。
說起電磁波必須提起來英俊帥氣的英國物理學家麥克斯韋，全名詹姆斯克拉克麥克斯韋（James Clerk Maxwell），麥克斯韋智力發育非常早，16歲中學畢業便進入愛丁堡大學學習，可以毫不誇張的說沒有麥克斯韋的電磁學就沒有現代的電工學。
雖然高智商的生命只延續了48年，但研究成果顯著，其中的《論電和磁》也被認為是繼牛頓《自然哲學之數學原理》之後最重要的物理學經典巨著。
1862年，31歲的麥克斯韋在總結前人研究成果的基礎上，進行大膽假設，用幾個公式概括了他對電磁現象的認識。然後從這幾個公式出發，經過七七四十九天的數學推導發現變化的電磁場將以波的形式向空間傳播，也就是我們今天將要討論的電磁波。
令人驚奇的是，他還推導出電磁波的傳播速度與光速相等，於是他也證明了過就是電磁波。
麥克斯韋方程組，簡直就是物理學歷史上最美的公式，也是讓很多物理學專業頭疼的公式，因為推導真的太難了。雖然很難但也不會影響麥克斯韋方程組的重要性，麥克斯韋方程組揭示了電磁場的內部作用和運動。不僅電荷和電流可以激發電磁場，而且變化的電場和磁場也可以互相激發。
因此，只要某處發生電磁擾動，由於電磁場互相激發，它就在空間中運動傳播，形成電磁波。由於麥克斯韋方程基於一定的假設，曾也一度讓人懷疑，直到1886年德國傑出青年物理學家赫茲用實驗探測到電磁波。
接著又是一套騷操作證明了電磁波同光波一樣具有反射、折射等特性，電磁波的傳播速度與光也相同。赫茲的實驗證實了麥克斯韋的偉大預言，麥克斯韋包含假設的方程也就成了關於電磁場的科學理論。
今天我們想要產生電磁波非常容易，你可以準備一個電源、兩根導線，將兩根導線的一段分別接電源的正負極，然後拿兩根導線的另一端不停地摩擦，在蒼茫的天空中不停地摩擦，如果你關燈後摩擦，不只可以產生電磁波，也可以看迷人的電火花。
怎麼樣證明有電磁波產生，可以拿一個收音機打開放在旁邊，就可以聽到呲呲呲的聲音。因為在兩根導線快速摩擦的過程就導致迅速變化的電流就可以產生電磁波。
電磁波家族的成員非常複雜，不同波段的電磁波特點也大有差距，有一些電磁波是我們之前就有接觸過的，我們一併複習下，友情提示，裡面有考點也有避免交智商稅的重點。
電磁波中，我們應用最為廣泛的便是無線電波，無線電波的波長從幾毫米到幾十千米。通常根據波長或 頻率可以把無線電波分成幾個波段，包括長波、中波、短波、超短波、微波等。各個波段的無線電波有各自的傳播方式和用途，如下表。
波段
波長
頻率
傳播方式
主要用途
長波
3000~30000m
10~100kHz
地波
超遠程無線電通信和導航
中波
200~3000m
100~1500kHz
地波和天波
調幅（AM）無線電廣播、電報
中短波
50~200m
1500~6000kHz
短波
10~50m
6~30MHz
天波
微
波
米波（VHF）
1~10m
30~300MHz
近似直線傳播
調頻（FM）無線電廣播、電視、導航
分米波（UHF）
1~10dm
300~3000MHz
直線傳播
移動通信、電視、、導航雷達
釐米波
1~10cm
3000~30000MHz
毫米波
1~10mm
30000~300000MHz
大家可以在表中發現一個規律，自上而下波長在持續減小的同時頻率在持續增大，他倆之間確實滿足一個奇妙的公式：光速=波長×頻率
即：其中光速在真空中傳播速度不變為。
電磁波中凸起的最高處，叫做波峰；凹下的最低處，叫做波谷。鄰近的兩個波峰（或波谷）的距離叫做波長。在某確定位置，1s內有多少次波峰或波谷通過，博得頻率就是多少。
現在我們來說5G，也就是第五代移動通信技術（5 th generation mobile networks），為什麼要發展5G，原因是現代信息社會中，我們需要交流越來越多的信息，就需要更寬更順暢的信息傳遞通道。
根據上述公式的變形式，就可以發現作為信息傳遞載體的電磁波頻率越高，相同時間內的信息就越多，但同時電磁波的波長就越短，傳遞過程中直線性就越強，就需要建更多的中繼站。
華為在標準上選擇釐米波，而不是美國的毫米波，相比之下美國的帶寬遠比5G寬的多（所以川建國同志也曾說美國直接跳過5G搞6G），但缺點也很明顯，覆蓋距離很短，也就需要建更多的中繼站。
美國在甩開膀子大力興建中繼站的時候，中國和歐洲各國可能已經將5G技術商業化應用了，從這個角度講美國就有點過後，也有點顯得不合群。大家可能會詫異，為嘛美國人不搞釐米波，非要死磕毫米波。
早在5G時代之前，美國中低頻段幾乎已經分配完畢，尤其是最有價值的中頻頻段，目前都在4家私人衛星公司和美國海軍手中。想從海軍手中搶頻譜，難度自不用說，就連私人衛星公司也提出了獅子大開口的要求。所以頻率成了美國運營商布局5G的最大困惑。
5G的頻段有Sub-6和毫米波兩個選擇，Sub-6比毫米波更容易實用。但多數國家都在主攻Sub-6，美國軍方早已佔用了Sub-6，沒有辦法再拿來商用，相比於軍事安全，美國人民更願意賭毫米波。
Sub-6 波長較長，穿透障礙物的能力更強，可以提供比毫米波更寬更廣的區域覆蓋效果，連接中斷風險更低，因此與毫米波相比而言，Sub-6 需要更少的資金投入和基站基礎建設，再利用上現有的 4G 基礎設施，這兩點使 Sub-6 成為潛在的 5G 標準。
毫米波擁有著諸多好處的同時也面臨著各種挑戰。雖然短波長和窄光束的特性可以提高解析度和傳輸安全性，但這也限制了傳播距離。因為毫米波網絡需要遍布在基站覆蓋的整個區域中並保持不間斷的連接，這樣就會產生很高的基礎建設的成本。毫米波很容易被牆壁、樹葉和人體本身等障礙物阻擋，這進一步加劇了這一挑戰。
華為本身是一家硬體製造商，在硬體製造過程中，需要使用的專利技術很多，所以需要向其他擁有專利的企業支付使用費。但在與其他硬體製造商支付費用的同時，其他硬體上也用到華為的專利，雙方就可以相互授權，而華為專利更多，或者專利更重要，相互加減之間，那麼其他企業就需要向華為支付專利使用費，比如諾基亞、愛立信等企業。
5G設備製造方面，華為已經率先發布全球首款5G基站晶片「天」，5G基站全球發貨4.5萬。中興也有了自主研發5G基站的晶片，而美國沒有5G基站晶片。這也就是為什麼川建國同志為何一定要舉全國之力狙殺華為，作為一個商人出身的總統，吃相不要太難看了。
另外，我們的空氣中充斥著各種各樣的電磁波，就相當於你購買的所有與量子」相關的產品一樣，所有防輻射的產品幾乎無用。隨便打開某寶輸入「量子」就能找到一票相關產品：量子保暖衣、量子打底褲、量子平衡水、量子襪等比比皆是，簡直不要太讓人太尷尬，石墨烯有著非常好的導熱性，熱散失也較快，請這些製造商站出來說說說如何保暖。順便也幫我解釋下襪子中如何利用量子高頻震蕩，如何改善身體微循環，剝離細胞毒垢，增強血液流速，使毒素排除體外的？能治癌症不？你細想下，能夠列入十三五規劃重大研究項目的石墨烯材料是論克說價的，一件衣服得多少石墨烯，然後你五十塊錢就能買到手。至於你信不信，我是堅決不信。
類似的你再輸入「防輻射」，就可以看到：防輻射孕婦裝、防輻射服防輻射手機貼。就拿手機來講吧，手機接收和傳遞信息都靠電磁波，手機本身就是電磁波發射臺和接收臺。你想想你手機發射出的電磁波剛發射出來，就被你359塊買的手機貼「中和」了，我就想問問你什麼心態，你問什麼要和自己過不去。
很多孕婦都會早早備好防輻射孕婦裝，但可以講幾乎毫無作用，如果說有一點作用，那就是能夠起到一定的心裡安慰作用，穿上之後孕婦會覺得心安理得。如果還是不放心，還想要屏蔽電磁波，我還真有方法可以推薦，就是買一個用金屬做成的蚊帳，然後躲在裡面，利用靜電屏蔽可以杜絕一切電磁波的幹擾，不過副作用是無法躺床上玩手機，因為手機一定也沒信號。
這種誇大宣傳不負責任的量子概念產品甚至會危害到生命安全，近期大連海關在進境旅客行李中一枚名為「五行質子量子能量共振器」的石盤引發核輻射儀器報警，更為恐懼的是這個石盤已經被這名旅客的女兒佩戴三個多月，期間頻繁無緣無故流鼻血。這種輻射對人體細胞和組織的傷害不可逆，千萬不可大意。
電磁波譜中的紅外線與大家的生活也息息相關，因為每個人都在不停地向外輻射紅外線，高於絕對零度(-273.15℃)的物質都可以產生紅外線。現代物理學稱之為熱射線。醫用紅外線可分為兩類:近紅外線與遠紅外線。含熱能，太陽的熱量主要通過紅外線傳到地球。紅外線的應用也比較方面，比如紅外夜視儀，或者遙控器中都有應用。
頻率稍高於紅外線的便是可見光，也就是紅橙黃綠藍靛紫七色光。頻率高於可見光的便是紫外線，具有螢光應，可以使螢光物質發光，用於驗鈔機；也具有殺菌作用，用來製作消毒櫃；還具有生物效應，有助於鈣吸收。
頻率再高一點就是x射線和伽馬射線，這種電磁波對人體的傷害是明顯的，所以醫院拍x光的醫務工作者都會在鉛板衛生的房間裡工作，並且有一定的輻射補貼。
美國人對通信權的把控欲望不容小覷，2015年，SpaceX公司的CEO馬斯克宣布其計劃發射約1.2萬顆通信衛星到太空軌道的「星鏈」計劃。項目預計花費100億美金，從2020年開始工作，旨在為全球消費者提供廉價、快速的寬帶網際網路服務。
別說這野心，光垃圾就讓地球頭疼的。在2020年底天空中將有超過1500枚星鏈衛星。它們將徹底覆蓋地球的天空。
我們太空中有數千個人造物，其中超過95%的物體屬於太空垃圾。正如以上示意圖，這些黑點代表了運行中的衛星、廢棄的衛星以及太空活動殘片。
人類可以利用通信衛星做微波中繼站來進行通信。通信衛星相對於地球「靜止」，從地面看，好像懸在空中靜止不動。在地球的周圍均勻地配置3顆同步通信衛星，就覆蓋了幾乎全部地球表面，可以實現全球通信。
衛星通信對電磁波頻段有一定的要求，因為一些電磁波無法順暢穿透大氣層。而且同步衛星數量越多，所能處理的信息量也就越大，但地球近軌能夠放置的衛星有上限，因此對太空的爭奪之戰也在悄悄進行。中國也在默默建設自己的北鬥導航衛星，就在昨天第52和53顆北鬥導航衛星發射成功，標誌著北鬥三號全球系統核心星座部署完成。
電磁波是今天的機遇，也是明天人類走向宇宙深處的嚮導