一个小灯泡引发大论战：千万粉丝科普up主翻车，伊朗“唐马儒”李永乐等下场，30万公里导线引百万网友围观...

Posted 2022-01-30 QbitAl

丰色 鱼羊 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

盆友，你最近吃瓜了吗？

可不只是瓜田里犯了错，最近科普圈的神仙打架，也是让网友直呼：

大佬打架，我疯狂捡漏。

怎么肥事？

事情还要从一道“简单”物理题说起：

假设存在一个巨型电路，其中一个电源、一个开关、一个理想灯泡（一有电流就能亮的那种），通过2根30万公里长的导线连接，灯泡和开关之间仅相隔1m的距离，就像这样：

△图源：真理元素

那么你觉得，在按下开关之后，灯泡多久能亮起来？

A. 0.5s

B. 1s

C. 2s

D. 1/c s

E. 以上全错

在YouTube上拥有千万级粉丝的科普大佬“真理元素”（Veritasium）给出的答案是：D。

甚至还说：教科书里的相关说法都是错的。

是不是有些不理解了？

这不，这个答案加上题目“有关电学的一个巨大误解”，那可真是一石激起千层浪，不仅另一位电子工程师大佬——伊朗唐马儒ElectroBOOM下场一通狂锤：

这是关公面前耍大刀啊。

李永乐老师也连出两个视频探讨这一问题。

甚至还有Youtube博主真的买了1000米电线做实验……

大佬们究竟产生了怎样的分歧？又是如何联手贡献了一场物理科普盛宴，让全球数百万网友嗨到飞起？

咱们就顺着这根藤，一起来摸瓜。

这到底是个什么问题?

我们先来看看，真理元素为什么会得出1/c这样一个反常识的答案：

因为电场的传播并不沿着导线。

实际上，在这个30万公里长的电路中，灯泡多长时间会被点亮，涉及的是电磁场能量如何传递的问题。

大家都知道，电荷周围会形成电场，比如一个电池，在它的外部，电场就从正电荷所在的正极指向负电荷所在的负极。

电流周围则会产生磁场，其方向通过右手定则得出：大拇指指向电流方向，剩余四指的方向就是磁场方向。

而电磁波，也就是同相振荡且互相垂直的电场与磁场。

电磁场的传播方向是这样定义的：

也就是说，根据右手螺旋定则，右手四指指向电场方向，然后往磁场方向握拳，大拇指的方向就是电磁场能量的传播方向。

这也就是所谓的坡印廷矢量的方向。

而电路中的能量也就是电能正是通过电磁场进行传递，并非通过电流。

那我们计算电池的坡印廷矢量方向，就可以得出下面这样一张图。

它的电磁波（黄线）往四周散发，也就是把能量以自己为中心发送到场中（其速度为3x10⁸m/s）。

当然，前提是电池通电，通电才会有电场、磁场。

基于这个原理，真理元素就得出了这么一个答案：

灯泡和电源只距离1米远，电源向四周散发的电磁波能直接“辐射”到电灯泡，那么只需用距离除以光速（即1/c）就能得出灯泡被亮点所需的时间。

当然，假设导线的电阻为0。

此结论一出，网友们的争论直接掀翻了评论区。

连“伊朗唐马儒”ElectroBOOM、EEVBlog、李永乐老师等一众大V都被吸引而来，一时各路科普视频齐发，让人目不暇接。

核心的争论点，我们总结如下。

问题1：这个灯泡怎样算亮呢？

灯泡即使真的可以在1/c时间直接接收到电源产生的电磁场，但那点能量根本远远不够点亮灯泡啊——虽然一开始就假设这是个理想灯泡，但它也太理想了。

“伊朗唐马儒”ElectroBOOM则直接“嘲讽”：有点电流就能亮？如果这样的话那它永远也不会灭。

问题2：通电瞬间，灯泡处的坡印廷矢量怎么算？此时它附近的导线内电场还没有形成呢。

问题3：我们把开关放在离电源很远的地方，电源还是离灯泡很近，那我们开合开关的时候灯泡怎么立刻知道？如果照1/c这个结论，岂不是导线一接电源，灯泡就亮了？

那岂不是可以实现超光速通信了？

李永乐老师也直接在视频中分析指出：

第一，该结论忽略了导线。导线是电磁波的波导，它可以让往电源往四周散发的电磁波具有方向性。意思电源的电磁波还是需要通过导线引导来传输。

而只有离导线非常近的地方才会有电磁波，1米的距离显然已经检测不到什么电磁波了，根本没法点亮灯泡。

关于这点，ElectroBOOM也抓狂地亮出数据：离导线10cm的磁场，磁感应强度可只有1毫米处的1%！

△图源：ElectroBOOM

第二，该结论没有考虑开关按下时会形成的暂态电流。

第三，暂态电流导致电荷重新分布，然后才产生稳定的电流和电磁场；在这之后，电源的能量才真正到达灯泡。

真实实验结果会如何？

好了，理论掰扯完毕，是时候上真实实验结果了。

没错，这场大论战中，还真有神仙下场，整了个大活。

材料学博士Brian Haidet购买了1000米长的电线，按照真理元素视频所述，布置了如下实验场景：

△图源：AlphaPhoenix

值得一提的是，因为真理元素视频中提到的“一有电流通过就会亮”的理想灯泡现实中并不存在，在用电器一端，Haidet安装的其实是电阻器，并接入了一台示波器来捕捉电流。

另外在开关的设置上，为了尽可能避免干扰，Haidet选择的是电子开关而非机械开关。

接下来，就是见证结果的时刻：

△白线相当于是“灯泡”两端的电压差

大概在1.6微秒时，“灯泡”处开始有稳态电流通过。

也就是说，绝大部分的能量仍然是沿着导线跑完了约500m的距离，然后才点亮了灯泡。

不过，也可以明显地看到，在开关闭合之后，灯泡两侧确实立即产生了感应电动势。经过计算，由此产生的电流（0.2μA）和稳态电流（1.7mA）之间存在数量级的差异。

这是因为开关闭合瞬间，开关处产生了一个变化的电场，变化的电场会向外辐射电磁波，当平行的另一侧导线捕捉到这种变化，就会产生感应电动势。

Haidet的另一个实验进一步说明了这一点。

在剪断导线之后，他再次按下了开关，示波器捕捉到的信号如白线所示：

在最初的1.6微秒里，示波器图像与电线连通时并没有什么不同；但在1.6微秒之后，电子们终于发现“此路不通”。

那么，回到最初的问题，答案到底是多少呢？

也许你早已知道答案：最快需要1秒。

按照理想灯泡的前提，在暂态电流刚刚到达灯泡的时候，灯泡就被点亮，此时电磁场能量以3x10⁸m/s的速度沿着30万公里的导线抵达，耗时1秒。

对，电能依然通过电磁场传输，而导线在这中起着引导电磁波前进的作用。

网友：大佬对线我过年

现在再来看，一场大论战的起因，其实就是在讨论电能如何传输的问题。

真理元素此番受到“翻车”质疑，主要还是问题设定不太合理。

就有网友表示，要讨论电磁场传播的速度和方向，30万公里长的导线这个设定多少有点奇怪……

在非常奇怪的“理想灯泡”前提下，又拿1/c时的极其微弱的电磁场能量来点亮灯泡，容易产生误解。

也有网友认为：理想条件下真理元素是对的，只是讨论瞬态响应而忽视稳态过程，对于不具备相关知识的人来说有误导性。

ElectroBOOM本人也说，虽然真理元素在技术上出了些岔子，但他提出的这个问题确实启发了大家更好地理解电磁波。

总的来说，这样的神仙打架，还是看得网友非常过瘾，甚至想多来几次。

还有网友直接表示：

希望大佬天天对线，我天天过年。

那么，你对这场论战又怎么看？

最后，提一个小小的巧合：2016年就已经有网友在知乎上提出了类似问题——

正如网友所说：兄弟，你的问题火了。（手动狗头）

参考链接：
[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