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(shuō)起：
假設(shè)存在一個(gè)巨型電路，其中一個(gè)電源、一個(gè)開(kāi)關(guān)、一個(gè)理想燈泡（一有電流就能亮的那種），通過(guò)2根30萬(wàn)公里長(zhǎng)的導(dǎo)線連接，燈泡和開(kāi)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(jué)得，在按下開(kāi)關(guān)之后，燈泡多久能亮起來(lái)？
A. 0.5s
B. 1s
C. 2s
D. 1/c s
E. 以上全錯(cuò)
在YouTube上擁有千萬(wàn)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(shuō)：教科書(shū)里的相關(guān)說(shuō)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(lè)老師也連出兩個(gè)視頻探討這一問(wèn)題。
甚至還有Youtube博主真的買(mǎi)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(wàn)網(wǎng)友嗨到飛起？
咱們就順著這根藤，一起來(lái)摸瓜。
我們先來(lái)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(wàn)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(wèn)題。
大家都知道，電荷周?chē)鷷?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?chē)鷦t會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，其方向通過(guò)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(shuō)，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(guò)電磁場(chǎng)進(jìn)行傳遞，并非通過(guò)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3x108m/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(lè)老師等一眾大V都被吸引而來(lái)，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(wèn)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(kāi)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(wèn)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(méi)有形成呢。
問(wèn)題3：我們把開(kāi)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(kāi)合開(kāi)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(lè)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(guò)導(dǎo)線引導(dǎo)來(lái)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(méi)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(méi)有考慮開(kāi)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。
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(méi)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(mǎi)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(guò)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(lái)捕捉電流。
另外在開(kāi)關(guān)的設(shè)置上，為了盡可能避免干擾，Haidet選擇的是電子開(kāi)關(guān)而非機(jī)械開(kāi)關(guān)。
接下來(lái)，就是見(jiàn)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(kāi)始有穩(wěn)態(tài)電流通過(guò)。
也就是說(shuō)，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(guò)，也可以明顯地看到，在開(kāi)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(guò)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_(kāi)關(guān)閉合瞬間，開(kāi)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(shuō)明了這一點(diǎn)。
在剪斷導(dǎo)線之后，他再次按下了開(kāi)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(méi)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(wèn)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3x108m/s的速度沿著30萬(wàn)公里的導(dǎo)線抵達(dá)，耗時(shí)1秒。
對(duì)，電能依然通過(guò)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。
現(xiàn)在再來(lái)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?wèn)題。
真理元素此番受到“翻車(chē)”質(zhì)疑，主要還是問(wèn)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(wàn)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(lái)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(guò)程，對(duì)于不具備相關(guān)知識(shí)的人來(lái)說(shuō)有誤導(dǎo)性。
ElectroBOOM本人也說(shuō)，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(wèn)題確實(shí)啟發(fā)了大家更好地理解電磁波。
總的來(lái)說(shuō)，這樣的神仙打架，還是看得網(wǎng)友非常過(guò)癮，甚至想多來(lái)幾次。
還有網(wǎng)友直接表示：
希望大佬天天對(duì)線，我天天過(guò)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(wèn)題——
正如網(wǎng)友所說(shuō)：兄弟，你的問(wèn)題火了。（手動(dòng)狗頭）
[1]https://www.bilibili.com/video/BV1cQ4y1e7Lu
[2]https://www.bilibili.com/video/BV1hb4y1q71Z
[3]https://www.youtube.com/watch?v=2Vrhk5OjBP8
[4]https://www.youtube.com/watch?v=2Vrhk5OjBP8
本文來(lái)自微信公眾號(hào)“量子位”（ID:QbitAI），作者：豐色 魚(yú)羊，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
