豐色 魚羊 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

朋友，你最近吃瓜了嗎？

可不只是瓜田裡犯了錯，最近科普圈的神仙打架，也是讓網友直呼：

大佬打架，我瘋狂撿漏。

怎麼肥事？

事情還要從一道“簡單”的物理題說起：

假設存在一個巨型電路，其中一個電源、一個開關、一個理想燈泡（一有電流就能亮的那種），透過2根30萬公里長的導線連線，燈泡和開關之間僅相隔1m的距離，就像這樣：

△圖源：真理元素

那麼你覺得，在按下開關之後，燈泡多久能亮起來？

A. 0.5s

B. 1s

C. 2s

D. 1/c s

E. 以上全錯

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

甚至還說：教科書裡的相關說法都是錯的。

是不是有些不理解了？

這不，這個答案加上題目“有關電學的一個巨大誤解”，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下場一通狂錘：

這是在關公面前耍大刀啊。

李永樂老師也連出兩個影片探討這一問題。

甚至還有Youtube博主真的買了1000米電線做實驗……

大佬們究竟產生了怎樣的分歧？又是如何聯手貢獻了一場物理科普盛宴，讓全球數百萬網友嗨到飛起？

咱們就順著這根藤，一起來摸瓜。

這到底是個什麼問題?

我們先來看看，真理元素為什麼會得出1/c這樣一個反常識的答案：

因為電場的傳播並不沿著導線。

實際上，在這個30萬公里長的電路中，燈泡多長時間會被點亮，涉及的是電磁場能量如何傳遞的問題。

大家都知道，電荷周圍會形成電場，比如一個電池，在它的外部，電場就從正電荷所在的正極指向負電荷所在的負極。

電流周圍則會產生磁場，其方向透過右手定則得出：大拇指指向電流方向，剩餘四指的方向就是磁場方向。

而電磁波，也就是同相振盪且互相垂直的電場與磁場。

電磁場的傳播方向是這樣定義的：

也就是說，根據右手螺旋定則，右手四指指向電場方向，然後往磁場方向握拳，大拇指的方向就是電磁場能量的傳播方向。

這也就是所謂的坡印廷向量的方向。

而電路中的能量也就是電能正是透過電磁場進行傳遞，並非透過電流。

那我們計算電池的坡度向量方向，就可以得出下面這樣一張圖。

它的電磁波（黃線）往四周散發，也就是把能量以自己為中心傳送到場中（其速度為3x108m/s）。

當然，前提是電池通電，通電才會有電場、磁場。

基於這個原理，真理元素就得出了這麼一個答案：

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

當然，假設導線的電阻為0。

此結論一出，網友們的爭論直接掀翻了評論區。

連“伊朗唐馬儒”ElectroBOOM、EEVBlog、李永樂老師等一眾大V都被吸引而來，一時各路科普影片齊發，讓人目不暇接。

核心的爭論點，我們總結如下。

問題1：這個燈泡怎樣算亮呢？

燈泡真的可以在1/c時間直接接收到電源產生的電磁場，但那點能量根本遠遠不夠點亮燈泡啊——雖然一開始就假設這是個理想燈泡，但它也太理想了。

“伊朗唐馬儒”ElectroBOOM則直接“嘲諷”：有點電流就能亮？如果這樣的話那它永遠也不會滅。

問題2：通電瞬間，燈泡處的坡印廷向量怎麼算？此時它附近的導線內電場還沒有形成呢。

問題3：我們把開關放在離電源很遠的地方，電源還是離燈泡很近，那我們開合開關的時候燈泡怎麼立刻知道？如果照1/c這個結論，豈不是導線一接電源，燈泡就亮了？

那豈不是可以實現超光速通訊了

？

李永樂老師也直接在影片中分析指出：

第一，該結論忽略了導線。導線是電磁波的波導，它可以讓往電源往四周散發的電磁波具有方向性。意思是電源的電磁波還是需要透過導線引導來傳輸。

而只有離導線非常近的地方才會有電磁波，1米的距離顯然已經檢測不到什麼電磁波了，根本沒法點亮燈泡。

關於這點，ElectroBOOM也抓狂地亮出資料：離導線10cm的磁場，磁感應強度可只有1毫米處的1%！

△圖源：ElectroBOOM

第二，該結論沒有考慮開關按下時會形成的暫態電流。

第三，暫態電流導致電荷重新分佈，然後才產生穩定的電流和電磁場；在這之後，電源的能量才真正到達燈泡。

真實實驗結果會如何？

好了，理論掰扯完畢，是時候上線真實實驗結果了。

沒錯，這場大論戰中，還真有神仙下場，整了個大活。

材料學博士Brian Haidet購買了1000米長的電線，按照真理元素影片所述，佈置瞭如下實驗場景：

△圖源：AlphaPhoenix

值得一提的是，因為真理元素影片中提到的“一有電流透過就會亮”的理想燈泡現實中並不存在，在用電器一端，Haidet安裝的其實是電阻器，並接入了一臺示波器來捕捉電流。

另外在開關的設定上，為了儘可能避免干擾，Haidet選擇的是電子開關而非機械開關。

接下來，就是見證結果的時刻：

△白線相當於是“燈泡”兩端的電壓差

大概在1.6微秒時，“燈泡”處開始有穩態電流透過。

也就是說，絕大部分的能量仍然是沿著導線跑完了約500m的距離，然後才點亮了燈泡。

不過，也可以明顯地看到，在開關閉合之後，燈泡兩側確實立即產生了感應電動勢。經過計算，由此產生的電流（0.2μA）和穩態電流（1.7mA）之間存在數量級的差異。

這是因為開關閉合瞬間，開關處產生了一個變化的電場，變化的電場會向外輻射電磁波，當平行的另一側導線捕捉到這種變化，就會產生感應電動勢。

Haidet的另一個實驗進一步說明了這一點。

在剪斷導線之後，他再次按下了開關，示波器捕捉到的訊號如白線所示：

在最初的1.6微秒裡，示波器影象與電線連通時並沒有什麼不同；但在1.6微秒之後，電子們終於發現“此路不通”。

那麼，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，在暫態電流剛剛到達燈泡的時候，燈泡就被點亮，此時電磁場能量以3x108m/s的速度沿著30萬公里的導線抵達，耗時1秒。

對，電能依然透過電磁場傳輸，而導線在這中起著引導電磁波前進的作用。

網友：大佬對線我過年

現在再來看，一場大論戰的起因，其實就是在討論電能如何傳輸的問題。

真理元素此番受到“翻車”質疑，主要還是問題設定不太合理。

就有網友表示，要討論電磁場傳播的速度和方向，30萬公里長的導線這個設定多少有點奇怪……

在非常奇怪的“理想燈泡”前提下，又拿1/c時的極其微弱的電磁場能量來點亮燈泡，容易產生誤解。

也有網友認為：理想條件下真理元素是對的，只是討論瞬態響應而忽視穩態過程，對於不具備相關知識的人來說有誤導性。

ElectroBOOM本人也說，雖然真理元素在技術上出了些岔子，但他提出的這個問題確實啟發了大家更好地理解電磁波。

總的來說，這樣的神仙打架，看得網友非常過癮，甚至想多來幾次。

還有網友直接表示：

希望大佬天天對我好，我天天過年。

那麼，你對這場論戰又怎麼看？

最後，提一個小小的巧合：2016年就已經有網友在知乎上提出了類似問題——

正如網友所說：兄弟，你的問題火了。（手動狗頭）

參考連結：
[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