不斷掉入收訊黑洞
在德國高速列車 ICE 上從柏林（Berlin）打電話到科隆（Köln）：「喂？喂？？（快速地查看了一下手機）……我快到柏林了，可能很快就會經過了……喂？……你剛離開（把手機貼在耳朵上）……喂？……（聲音變大了）……列車停靠下一站的時候我再打給你，好嗎？」
雖然高速列車 ICE 上接聽手機的專用區域已經加裝了增強手機收訊的強波器，但這種狀況仍然不斷發生，讓人覺得這段車程有夠累人，尤其是擔心斷訊時，還會不自覺地加大聲量。大聲說話當然沒用，但我們還是會這樣。讓人在全國各地都能接聽手機到有什麼難的呢？為什麼在某些地區，我們每隔幾公里就會掉進收訊黑洞，要怎麼改善這種狀況呢？
我們對這個議題的興趣是在德國下巴伐利亞地區（Niederbayern）某場研討會上被引出來的，已經忘了會議主題是什麼，不過休息時間發生的事我們還是記得很清楚。
有一群人跳起來興奮地揮舞雙手，跑來跑去開心極了，直到有人喊了一聲：「有了！」然後所有人衝到他旁邊擠在一起，像是在小孩生日派對上玩搶椅子遊戲，不過這群人想要的不是椅子，而是更珍貴的東西：手機訊號。
每次自由活動時間或晚上到山上散步，只剩「德國電信」（Deutsche Telekom）的通訊用戶手機還有訊號時，會讓人心情變得更煩躁。
前文中提到的每個人似乎都有個故事好說。德國的通訊網絡就像一塊充滿孔洞的乳酪，似乎到處都有訊號死角。在國際行動網路報告權威機構「打開訊號」公司（Opensignal）的一項研究中，調查了用戶使用手機通訊的體驗，德國在 100 個國家中，排行第 50 名，落後於印尼和位於中亞的吉爾吉斯坦共和國（Kyrgyzstan）。
鄉下地方的訊號特別不穩，但柏林中部地區也是，顯然這裡有個 4G 黑洞。據傳有位部長說自己不會在車上與外國同僚講電話，因為要是一直斷訊，那就太尷尬了。
現在還不清楚這個問題到底影響有多大，因為「死角」沒有科學定義。是有些路上沒訊號就算嗎？還是要整個地區都沒有呢？那麼「德國電信」的用戶有訊號，但「沃達豐」（Vodafone）電信公司的用戶沒訊號的地區，又怎麼算呢？
不過有一點很清楚，在德國光用手機講電話就不順暢了，更別說上網。畢竟，我們不只希望打電話時不斷訊，還想要開視訊會議，理想狀況下，啟動自動駕駛的汽車應該要能透過網路聯繫其他自動駕駛的汽車才對。這在技術上可行嗎？
訊號的傳輸暗藏著物理技巧
看看打電話時會發生什麼事。當你打電話給某人時，你的手機會發出電磁波，它們會在空中散開尋找下一個輸電桿，「基地臺」就是聚集這種接收手機訊號輸電桿的小區域。當我們從柏林搭火車到科隆時，主掌手機訊號傳輸的基地臺會從這個移到另一個。你的手機訊號會透過定向無線電（Directional Radio）或電纜轉發給在辦公室同事、在家的孩子，或者你是一名政治家，訊號會轉發給你外國的部長級同僚。
我們家孩子曾經試圖尋找這種天線，他們尋找時，腦中想的是必須安裝在屋子某處的那種典型細天線，或是俗稱小耳朵的碟型衛星訊號接收器。不過手機天線不是長那樣，它更像是一根連著整串怪異灰色長方形盒子的粗壯金屬棒，這種形狀是特意配合天線必須為長條形所塑造的，其中暗含著物理技巧。每個盒子裡接連安放著幾個同款發射器，如果只用到一個發射器，訊號會向各個方向均勻發散，也就是向上、向下和向左右周圍，有點像是發光的燈泡。但大家通常不想要向上和向下的訊號，尤其是住家就在發射下方時。
工程師會面臨一個問題：要如何控制訊號盡可能向前發射，而非朝其他方向發散？以燈泡為例，是用燈罩來解決燈光散射的問題，只讓光線投射到需要的方向。無線電天線很難做到這一點，但有一種簡單卻讓人激賞的物理方法可以控制發射方向：讓幾個發射器彼此發射無線電波，以便互相控制。
這就是基地臺上的無線電天線桿會重疊裝載數個天線的原因，這樣它們發射出來的無線電波就會交疊。如果將這些天線對齊，與地面平行的橫向電波會增強，波峰和波谷則弱化或甚至相互抵消，並以這種方式將訊號傳輸至發射器另一端的目的地。在沒有山脈、樹木、或房子等任何障礙物的情形下，這種平行於地面傳播的方式，可以將訊號傳送到很遠的地方，至少在德國離岸 30 公里的地方通常都還能講電話。
現在我們當然想要找到自己的無線電天線桿，下一個天線桿可能在住家公寓附近的什麼地方呢？我們在去商店購物的路上和散步的路途中朝上張望，看起來可能很像個傻子。我們懷疑天線在住家西邊，因為位居東邊的客廳訊號總是最差。一開始，我們什麼也沒找到，所以上網搜尋最近的手機基地臺。終於找到了！在德國聯邦網路局（Bundesnetzagentur）的網站上，可以準確看到基地臺分布情況（我們對分布圖的詳細程度感到非常驚訝）。
在這個網站，不僅可以看到通常安裝在大型建築物上的大型天線位置，還有其他小型基地臺（Small Cell），這些小型基地臺安裝的是較小的天線，通常位於人潮眾多的地方，例如展覽廳或市中心。結合 Google 街景地圖，就可以輕鬆查看負責你手機訊號的基地臺所在位置。
——本文摘自《神奇物理學：從重力到電流，日常中的科學現象原來是這麼回事！》，2022 年 9 月，商周出版，未經同意請勿轉載。
