一個(gè)小燈泡引發(fā)大論戰(zhàn)：千萬粉絲科普up主翻車，伊朗“唐馬儒”、李永樂等下場(chǎng)，30萬公里導(dǎo)線引百萬網(wǎng)友圍觀

豐色 魚羊 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

盆友，你最近吃瓜了嗎？

可不只是瓜田里犯了錯(cuò)，最近科普圈的神仙打架，也是讓網(wǎng)友直呼：

大佬打架，我瘋狂撿漏。

怎么肥事？

事情還要從一道“簡(jiǎn)單”物理題說起：

假設(shè)存在一個(gè)巨型電路，其中一個(gè)電源、一個(gè)開關(guān)、一個(gè)理想燈泡（一有電流就能亮的那種），通過2根30萬公里長(zhǎng)的導(dǎo)線連接，燈泡和開關(guān)之間僅相隔1m的距離，就像這樣：

 

△圖源：真理元素

那么你覺得，在按下開關(guān)之后，燈泡多久能亮起來？

A. 0.5s

B. 1s

C. 2s

D. 1/c s

E. 以上全錯(cuò)

在YouTube上擁有千萬級(jí)粉絲的科普大佬“真理元素”（Veritasium）給出的答案是：D。

甚至還說：教科書里的相關(guān)說法都是錯(cuò)的。

是不是有些不理解了？

這不，這個(gè)答案加上題目“有關(guān)電學(xué)的一個(gè)巨大誤解”，那可真是一石激起千層浪，不僅另一位電子工程師大佬——伊朗唐馬儒ElectroBOOM下場(chǎng)一通狂錘：

這是關(guān)公面前耍大刀啊。

李永樂老師也連出兩個(gè)視頻探討這一問題。

甚至還有Youtube博主真的買了1000米電線做實(shí)驗(yàn)……

大佬們究竟產(chǎn)生了怎樣的分歧？又是如何聯(lián)手貢獻(xiàn)了一場(chǎng)物理科普盛宴，讓全球數(shù)百萬網(wǎng)友嗨到飛起？

咱們就順著這根藤，一起來摸瓜。

這到底是個(gè)什么問題?

我們先來看看，真理元素為什么會(huì)得出1/c這樣一個(gè)反常識(shí)的答案：

因?yàn)殡妶?chǎng)的傳播并不沿著導(dǎo)線。

實(shí)際上，在這個(gè)30萬公里長(zhǎng)的電路中，燈泡多長(zhǎng)時(shí)間會(huì)被點(diǎn)亮，涉及的是電磁場(chǎng)能量如何傳遞的問題。

大家都知道，電荷周圍會(huì)形成電場(chǎng)，比如一個(gè)電池，在它的外部，電場(chǎng)就從正電荷所在的正極指向負(fù)電荷所在的負(fù)極。

電流周圍則會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，其方向通過右手定則得出：大拇指指向電流方向，剩余四指的方向就是磁場(chǎng)方向。

而電磁波，也就是同相振蕩且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)。

電磁場(chǎng)的傳播方向是這樣定義的：

也就是說，根據(jù)右手螺旋定則，右手四指指向電場(chǎng)方向，然后往磁場(chǎng)方向握拳，大拇指的方向就是電磁場(chǎng)能量的傳播方向。

這也就是所謂的坡印廷矢量的方向。

而電路中的能量也就是電能正是通過電磁場(chǎng)進(jìn)行傳遞，并非通過電流。

那我們計(jì)算電池的坡印廷矢量方向，就可以得出下面這樣一張圖。

它的電磁波（黃線）往四周散發(fā)，也就是把能量以自己為中心發(fā)送到場(chǎng)中（其速度為3×10⁸m/s）。

當(dāng)然，前提是電池通電，通電才會(huì)有電場(chǎng)、磁場(chǎng)。

基于這個(gè)原理，真理元素就得出了這么一個(gè)答案：

燈泡和電源只距離1米遠(yuǎn)，電源向四周散發(fā)的電磁波能直接“輻射”到電燈泡，那么只需用距離除以光速（即1/c）就能得出燈泡被亮點(diǎn)所需的時(shí)間。

當(dāng)然，假設(shè)導(dǎo)線的電阻為0。

此結(jié)論一出，網(wǎng)友們的爭(zhēng)論直接掀翻了評(píng)論區(qū)。

連“伊朗唐馬儒”ElectroBOOM、EEVBlog、李永樂老師等一眾大V都被吸引而來，一時(shí)各路科普視頻齊發(fā)，讓人目不暇接。

核心的爭(zhēng)論點(diǎn)，我們總結(jié)如下。

問題1：這個(gè)燈泡怎樣算亮呢？

燈泡即使真的可以在1/c時(shí)間直接接收到電源產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，但那點(diǎn)能量根本遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠點(diǎn)亮燈泡啊——雖然一開始就假設(shè)這是個(gè)理想燈泡，但它也太理想了。

“伊朗唐馬儒”ElectroBOOM則直接“嘲諷”：有點(diǎn)電流就能亮？如果這樣的話那它永遠(yuǎn)也不會(huì)滅。

問題2：通電瞬間，燈泡處的坡印廷矢量怎么算？此時(shí)它附近的導(dǎo)線內(nèi)電場(chǎng)還沒有形成呢。

問題3：我們把開關(guān)放在離電源很遠(yuǎn)的地方，電源還是離燈泡很近，那我們開合開關(guān)的時(shí)候燈泡怎么立刻知道？如果照1/c這個(gè)結(jié)論，豈不是導(dǎo)線一接電源，燈泡就亮了？

那豈不是可以實(shí)現(xiàn)超光速通信了？

李永樂老師也直接在視頻中分析指出：

第一，該結(jié)論忽略了導(dǎo)線。導(dǎo)線是電磁波的波導(dǎo)，它可以讓往電源往四周散發(fā)的電磁波具有方向性。意思電源的電磁波還是需要通過導(dǎo)線引導(dǎo)來傳輸。

而只有離導(dǎo)線非常近的地方才會(huì)有電磁波，1米的距離顯然已經(jīng)檢測(cè)不到什么電磁波了，根本沒法點(diǎn)亮燈泡。

關(guān)于這點(diǎn)，ElectroBOOM也抓狂地亮出數(shù)據(jù)：離導(dǎo)線10cm的磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度可只有1毫米處的1%！

 

△圖源：ElectroBOOM

第二，該結(jié)論沒有考慮開關(guān)按下時(shí)會(huì)形成的暫態(tài)電流。

第三，暫態(tài)電流導(dǎo)致電荷重新分布，然后才產(chǎn)生穩(wěn)定的電流和電磁場(chǎng)；在這之后，電源的能量才真正到達(dá)燈泡。

真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)如何？

好了，理論掰扯完畢，是時(shí)候上真實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果了。

沒錯(cuò)，這場(chǎng)大論戰(zhàn)中，還真有神仙下場(chǎng)，整了個(gè)大活。

材料學(xué)博士Brian Haidet購(gòu)買了1000米長(zhǎng)的電線，按照真理元素視頻所述，布置了如下實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景：

 

△圖源：AlphaPhoenix

值得一提的是，因?yàn)檎胬碓匾曨l中提到的“一有電流通過就會(huì)亮”的理想燈泡現(xiàn)實(shí)中并不存在，在用電器一端，Haidet安裝的其實(shí)是電阻器，并接入了一臺(tái)示波器來捕捉電流。

另外在開關(guān)的設(shè)置上，為了盡可能避免干擾，Haidet選擇的是電子開關(guān)而非機(jī)械開關(guān)。

接下來，就是見證結(jié)果的時(shí)刻：

 

△白線相當(dāng)于是“燈泡”兩端的電壓差

大概在1.6微秒時(shí)，“燈泡”處開始有穩(wěn)態(tài)電流通過。

也就是說，絕大部分的能量仍然是沿著導(dǎo)線跑完了約500m的距離，然后才點(diǎn)亮了燈泡。

不過，也可以明顯地看到，在開關(guān)閉合之后，燈泡兩側(cè)確實(shí)立即產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。經(jīng)過計(jì)算，由此產(chǎn)生的電流（0.2μA）和穩(wěn)態(tài)電流（1.7mA）之間存在數(shù)量級(jí)的差異。

這是因?yàn)殚_關(guān)閉合瞬間，開關(guān)處產(chǎn)生了一個(gè)變化的電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)會(huì)向外輻射電磁波，當(dāng)平行的另一側(cè)導(dǎo)線捕捉到這種變化，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

Haidet的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說明了這一點(diǎn)。

在剪斷導(dǎo)線之后，他再次按下了開關(guān)，示波器捕捉到的信號(hào)如白線所示：

在最初的1.6微秒里，示波器圖像與電線連通時(shí)并沒有什么不同；但在1.6微秒之后，電子們終于發(fā)現(xiàn)“此路不通”。

那么，回到最初的問題，答案到底是多少呢？

也許你早已知道答案：最快需要1秒。

按照理想燈泡的前提，在暫態(tài)電流剛剛到達(dá)燈泡的時(shí)候，燈泡就被點(diǎn)亮，此時(shí)電磁場(chǎng)能量以3×10⁸m/s的速度沿著30萬公里的導(dǎo)線抵達(dá)，耗時(shí)1秒。

對(duì)，電能依然通過電磁場(chǎng)傳輸，而導(dǎo)線在這中起著引導(dǎo)電磁波前進(jìn)的作用。

網(wǎng)友：大佬對(duì)線我過年

現(xiàn)在再來看，一場(chǎng)大論戰(zhàn)的起因，其實(shí)就是在討論電能如何傳輸?shù)膯栴}。

真理元素此番受到“翻車”質(zhì)疑，主要還是問題設(shè)定不太合理。

就有網(wǎng)友表示，要討論電磁場(chǎng)傳播的速度和方向，30萬公里長(zhǎng)的導(dǎo)線這個(gè)設(shè)定多少有點(diǎn)奇怪……

在非常奇怪的“理想燈泡”前提下，又拿1/c時(shí)的極其微弱的電磁場(chǎng)能量來點(diǎn)亮燈泡，容易產(chǎn)生誤解。

也有網(wǎng)友認(rèn)為：理想條件下真理元素是對(duì)的，只是討論瞬態(tài)響應(yīng)而忽視穩(wěn)態(tài)過程，對(duì)于不具備相關(guān)知識(shí)的人來說有誤導(dǎo)性。

ElectroBOOM本人也說，雖然真理元素在技術(shù)上出了些岔子，但他提出的這個(gè)問題確實(shí)啟發(fā)了大家更好地理解電磁波。

總的來說，這樣的神仙打架，還是看得網(wǎng)友非常過癮，甚至想多來幾次。

還有網(wǎng)友直接表示：

希望大佬天天對(duì)線，我天天過年。

那么，你對(duì)這場(chǎng)論戰(zhàn)又怎么看？

最后，提一個(gè)小小的巧合：2016年就已經(jīng)有網(wǎng)友在知乎上提出了類似問題——

正如網(wǎng)友所說：兄弟，你的問題火了。（手動(dòng)狗頭）

參考鏈接：
[1]https://www.bilibili.com/video/BV1cQ4y1e7Lu
[2]https://www.bilibili.com/video/BV1hb4y1q71Z
[3]https://www.youtube.com/watch?v=2Vrhk5OjBP8