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科学研究的“无用”之用

中科院物理所  · 公众号  · 物理  · 2025-05-13 13:06

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基础研究往往能带来巨大回报 —— 但我们做基础研究的初衷并非于此。 图源:Getty Images


公众对政府斥巨资资助“无用”的科学项目的做法向来争议不断 ,这种事早已屡见不鲜。你或许会觉得,哪怕只是花小钱研究矮牵牛花的颜色,也是资金浪费。
没错, 这是从商业视角出发的看法 。但即便你只在乎投入产出比, 只要考虑到那些无法预见的后续效应,这些项目往往最终都能带来回报 。(可以去了解下矮牵牛花的故事!)接下来,我要讲述另一个看似 “愚蠢” 的小实验,它最终实现了极高的投资回报率。
赫兹的实验
1862年,詹姆斯・克拉克・麦克斯韦(James Clerk Maxwell)发表了著名的 麦克斯韦方程组 。那时,人类才刚刚开始探索电池和电流。这四个方程组中的前两个,描述了静止电荷周围的电场和磁场。
第三个方程源于一个有趣的现象: 将磁铁在导线线圈附近移动,就能产生电流 。下面的动图便展示了这一现象:

瑞德·阿兰提供

这种电流由导线内的电场引起,也就是说, 变化的磁场会产生电场 。那如何产生磁场呢? 有两种方式 :第一,导线中流动的电流会产生磁场。 将导线连接电池后放在磁罗盘上,就能观察到这一 现象

瑞德·阿兰提供

这正是电磁铁的基本原理。但 麦克斯韦提出了第二种机制 —— 变化的电场也能产生磁场 。换句话说, 二者的作用是双向的:变化的磁场产生电场,变化的电场也能产生磁场
这一发现之所以意义重大,是因为它表明: 变化的电场和磁场会产生能在空间中传播的振荡——即电磁波 。尽管这一理论早已提出,但多年来一直未得到验证。
直到1888年,海因里希・赫兹(Heinrich Hertz)进行了一项小实验。 他利用振荡电流产生火花,使其跳过导线间隙 。根据理论, 这种火花会产生变化的电场和磁场,并在空间中传播
于是,他搭建了另一个带间隙的导线环——不过这个导线环并未连接任何电源。仔细观察会发现, 这个间隙中竟产生了第二个火花 !这一现象令人称奇, 它证明了电磁波真实存在,且能在房间内传播 。(早期的无线电发射机,如马可尼的发射机,就采用了同样的火花-间隙方法。)
自制 “波浪机”
你也可以亲自尝试这个实验 。毕竟150年过去了,你能用到赫兹当年没有的材料,比如乐高积木。所需材料很简单: 一些导线、一个旧的烧烤打火机和一个灯泡 (笔者用的是小型霓虹灯,LED 灯也可以)。 打火机内部有一块压电晶体,受压力时能产生高电压 。当你扣动扳机时,高压产生的火花会点燃喷出的燃料。我拆除了旧的燃料罐,将压电晶体与两根导线相连。
在另一侧,还有一对导线,中间连接着灯泡。 关键在于,和赫兹的导线环一样,这对导线并未连接任何电源 。装置如下:

瑞德·阿兰提供






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