第一性原理：第2章 電

第一性原理：21堂科學通識課

作者：[英]馬庫斯·喬恩

#第一性原理21

第2章　電

利用這種是引力1040倍的力，我們為全世界提供能量。

那就拿一瓶閃電、一隻乾淨的大酒杯和一隻開塞鑽進來吧。

     ——查爾斯·狄更斯(Charles Dickens)

     

電為全世界數十億人的家中帶來了光明，還為洗衣機、電視機和手機提供能量。未來，電還有可能成為飛馳在路上的數十億輛汽車的能量來源。電之所以能做到這一切，只有一個原因：它代表了大自然極其強大的力量。

為了感受電的強大力量，我們先來看一隻蚊子。和你我以及世間萬物一樣，蚊子也是由原子構成的（參見第8章），其中原子核帶正電，核外電子帶負電。異性相吸，正是原子核與電子之間的吸引力使得原子得以維持其結構。現在假設有一種神奇的力量能夠讓蚊子中的所有電子消失，只剩下帶正電的原子核。由於同性相斥，這些原子核會一哄而散，蚊子就會被炸成碎片。而引發蚊子爆炸的能量十分巨大，一個火花、一捆炸藥甚至是一顆氫彈的能量都無法與之相提並論，這種能量堪比導致全球生物大滅絕的能量，即相當於6600萬年前那顆一座城市般大小的小行星撞擊地球導致恐龍滅絕時所釋放的能量！

之所以會產生這樣的結果，是因為電磁力十分強大，其強度是引力的1040倍（參見第1章）。但值得一提的是，我們並不會注意到這種十分強大的力，因為在日常物質中，正電荷和負電荷的數量是相等的，這使得電的排斥力和吸引力達到一種精妙的平衡，兩者相互抵消。這就是為什麼當你在街上和另一個人擦肩而過時，並不會被其吸引或者排斥，甚至根本不會感受到這種強大的力一絲一毫的跡象，即便它是你們之間的引力的1040倍。

然而，如果有可能製造出電荷的不平衡，就像剛才提到的蚊子一樣，我們就可以釋放出電的強大力量，而這正是電能夠為世界提供能量的秘密。積雨雲中就存在這種電荷的不平衡，也正是它導致了閃電的放電現象。發電廠也會製造出電荷的不平衡，從而產生電流，即電荷的流動，來為我們的世界提供能量。

電與磁存在本質上的聯繫，但卻很少有人注意到這種聯繫。因此當1820年，丹麥物理學家漢斯·克里斯蒂安·奧斯特(Hans Christian Orsted)發現這一聯繫時，科學家們都感到十分震撼。奧斯特在為學生上課時，發現有電流流過的導線讓附近的磁針發生了偏轉，他指出電流能夠產生類似磁石的效果，並猜測磁本身就是由在鐵等物質內部流動的電流所產生的。

英國科學家、電學之父邁克爾·法拉第(Michael Faraday)對奧斯特的發現進行了研究，從中發現了電與磁的一些本質聯繫。將兩塊磁石相互靠近，你會感覺到它們之間憑空存在一種強大的力，法拉第確信這裡必然有什麼東西。他提出，有一個無形的磁場從磁石向周圍各個方向延伸出來。同理，他猜想，一塊與毛皮摩擦後帶上靜電的琥珀，也會向周圍延伸出電場。

在19世紀，當時其他的電學開拓者大多著眼於導線中的電流，只有法拉第發現電場和磁場才是問題的關鍵，是它們傳遞著電磁力所產生的巨大能量。相對地，電流只不過是一種次生現象：電子在電場的驅使下流動，而電場碰巧貫穿了銅線這樣的導體。於是，當一條導線連接電池兩極形成迴路時，導線周圍就形成了電場，導線中的自由電荷——電子，在電場的驅使下移動，便形成了電流。（電子是在1897年才被發現的，因此法拉第以及與他同時代的科學家一直由於不知道導線中流動的東西到底是什麼而深感困惑。）

我們可以準確描述電場與磁場之間的關係：變化的電場產生磁場，而變化的磁場產生電場。其中前半句指的是奧斯特的發現，因為當形成電流的電荷在導線中流動時，電場便會不可避免地隨之移動；而後半句指的則是電磁感應現象，由法拉第於1831年發現，它是我們這個電力世界的基石，因為全世界成千上萬座發電廠都是通過改變穿過導體的磁場來發電的。具體來說，就是使用某種動力源，例如通過核反應或燃燒天然氣、石油或煤炭所產生的水蒸氣推動由導線構成的線圈，即發電機在磁場中旋轉。

實際上，電和磁不僅是在本質上存在聯繫，準確地說，它們就是同一種東西的兩個不同方面，這一點直到1905年才被愛因斯坦發現。正如他揭示了空間和時間是一個被稱為“時空”的整體的兩個不同部分一樣，電和磁也是一個被稱為“電磁力”的整體的兩個不同部分（參見第10章），而我們看到的是電場還是磁場，取決於我們相對於其源點的移動速度。

變化的電場產生磁場，而變化的磁場也產生電場，你現在能閱讀到這些文字，也是拜這一髮現所賜。英國蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)於1863年發現，光是一種電磁波，即在充滿空間的、無形的電磁場中傳播的一串漣漪，就像池塘水面上的漣漪一樣。在這樣的波中，電場的變化，或者說是衰減產生了磁場，而磁場的變化或者說是衰減，產生了電場，電場的衰減又再次產生磁場，周而復始。因此，電磁波是可以自我維持的，它可以持續地重新產生自己。

麥克斯韋發現紅光是一種緩慢振蕩的電磁波，而藍光則是一種快速振蕩的電磁波。重點來了，麥克斯韋的電磁理論沒有限制電磁波的振蕩速度，因此電磁波只是空間中的漣漪，它可以比紅光振蕩得更慢，也可以比藍光振蕩得更快。實際上，麥克斯韋指出，像這樣肉眼不可見的顏色有上億種，從振蕩速度很快的γ射線，到振蕩速度很慢的無線電波。德國物理學家海因里希·赫茲(Heinrich Hertz)於1888年生成並探測到了無線電波，後來在1901年，意大利人古列爾莫·馬可尼(Guglielmo Marconi)將無線電波用於歐洲和北美洲之間的通信。可以說，正是無線電波創造了21世紀我們所生活的這個緊密聯繫的世界。

麥克斯韋將電場和磁場的作用規律提煉為其著名的電磁方程，這堪稱19世紀物理學的巔峰。美國物理學家理查德·費曼(Richard Feynman)說：“從人類歷史的長遠觀點來看，例如過1萬年之後回頭來看，毫無疑問，在19世紀中發生的最有意義的事件將是麥克斯韋對電磁學定律的發現。”

然而，電的“殺手級應用”並非無線電波，而是電燈。從效果上看，電燈的出現成倍提高了人類的生產力，因為它使得在黑夜中工作成為可能。要點亮千家萬戶的電燈，就需要長距離傳輸電力，解決這一問題的是塞爾維亞裔美國工程師尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)。

特斯拉在美國的競爭對手托馬斯·愛迪生(Thomas Edison)主張使用在導線中單向流動的電流，但這一方案有一些弊端：由於推動電子在導線中移動需要消耗能量，因此這種“直流電”的電場會隨著距離的增加而減弱，這意味著和距離發電廠較近的住戶相比，距離發電廠較遠的住戶所接收到的電場較弱，導致電燈的亮度也較暗。對於這個問題，愛迪生給出的解決方案是將發電廠建在盡量接近用戶的地方，但在19世紀80年代的紐約，這意味著大約每隔1千米就需要建造一座發電廠。

特斯拉發現如果能夠產生極強的電場，即高壓電，儘管電場會因驅動電子移動損失能量而變弱，但只要電場足夠強，這些損失就可以忽略不計。在現在的英國，長距離輸電所使用的電壓高達35千伏，也正是出於這個原因。

這裡有一個問題，在電力進入住戶之前，必須先將其電壓降到家用電器所使用的240伏[插圖]，但這對於直流電來說很難做到。不過，特斯拉發現，這一點可以使用電流方向週期性變化的交流電來實現。在英國，電荷一會兒往一個方向移動，一會兒又往另一個方向移動，這樣的變化每秒會發生50次。

特斯拉採用的降低電壓的方法是讓電流通過一個纏繞圈數較多的線圈，然後在旁邊放置一個纏繞圈數較少的線圈。第一個線圈中快速變化的電場會感應出快速變化的磁場，而這個磁場又會在第二個線圈中感應出快速變化的電場。由於第二個線圈中導線的纏繞圈數較少，於是其中所產生的感應電場，即電壓就會小於第一個線圈。通過這樣的“變壓器”，電網中35千伏的電壓就被降到了各種電器可以使用的240伏。

如果你夠仔細，就會發現交變電流中變化的電場產生變化的磁場，繼而又產生變化的電場，這正是產生電磁波的過程（見圖2-1）。我們在導線中傳輸的其實正是電磁波——不是像光那樣在自由空間中傳播的電磁波，而是一種沿導線傳播的電磁波。我們不會將它當成一種波，是因為它從上向下再向上走完一個完整的振蕩週期需要大約1萬千米的距離，這差不多比任何導線都要長。在導線上的任意一點，電場只是在來回改變方向，使得電荷以每秒50次的頻率來回振動。

毫無疑問，特斯拉的交流電系統比愛迪生的直流電系統更加複雜，但它有史以來第一次實現了長距離輸電，從而讓現代世界的誕生和發展成為可能。對於這個在1884年來到美國闖蕩的28歲年輕人來說，這無疑是一個舉世矚目的成就。特斯拉的靈感來自他童年時期在塞爾維亞觀察到的一種神奇現象，即在乾燥、寒冷的空氣中很容易積累靜電。“那個冬季比以往任何時候都要寒冷和乾燥。走在雪地上的人會留下清晰的足跡，而砸到其他物體上的雪球會像命中了刀鋒的方糖一般四散開來。在某個黃昏，我按捺不住地撫摸了貓的背。它的背瞬間變成了一床閃閃發光的毯子，而我的手帶起了陣陣火花。父親輕描淡寫地說，‘不過是電罷了，跟你在雷雨天看到的劈到樹上的閃電一樣’。母親似乎震驚了，她說，‘別跟貓玩了，回頭它弄出火災來可不得了。’她說。我則開始異想天開，想象著大自然會不會是一隻巨大的貓？如果是的話，誰給它撫背？那個人只能是上帝吧——我想出了這樣一個結論。……你根本無法想象這個奇妙的景象給我稚嫩的想象力帶來了多大的影響。我日復一日地問自己：什麼是電？但卻無從解答。幾十年過去了，我還在問自己同樣的問題，還是一如往常地沒有尋找到答案。”

長距離輸電的實現打開了眾多難以想象的技術的可能性。如今，我們不僅可以無線傳輸聲音，還可以將黑夜擋在門外，如此這般不勝枚舉。理查德·費曼寫道：“在上萬的地方成萬台發動機發動著工廠和家庭中的機器——所有這些，都是由於電磁學定律的知識而運轉起來的。”

然而當電被應用於技術領域時，人類開始意識到其在自然界中的核心地位。人們原本並沒有注意到這一點，因為正如之前所說，在通常情況下，巨大的電磁力處於完美平衡、相互抵消的狀態。不過，電荷的不平衡在微觀領域卻是普遍存在的，因為當物質僅含有少數原子時，從統計上看正負電荷的數量是不太可能完全相等的。即便數量相等，依然可能存在強大的電磁力，因為一個原子的負電荷相對於自身的負電荷來說可能距離另一個原子的正電荷更近，由於電磁力會隨著距離增加而減弱，此時吸引力會大於排斥力，於是兩塊微小的物質之間可能產生強大的吸引力，即使它們各自都不帶有淨電荷。

由此可見，原子完全處於極其強大的電磁力的支配之下。電磁力不僅維持著原子自身的結構，還可以讓原子和原子相互結合形成分子。化學的本質也是電，因為它研究的是原子中電子的重新排列。你的身體能夠保持完整也是拜電磁力所賜，如果組成你的分子外面沒有電子產生的排斥力，你就會被地球的引力給壓扁。

不過，電在日常生活中所扮演的角色遠不止於此，它甚至驅動著生命本身。1781年，路易吉·伽伐尼(Luigi Galvani)發現電流刺激能夠讓死青蛙的腿發生抽搐。電能夠驅動死亡的肉體，這一髮現為當時年僅19歲的瑪麗·雪萊(Mary Shelley)提供了靈感，她因此開始創作小說《弗蘭肯斯坦》(Frankenstein)，隨後於1818年出版。電驅動著生物學，我們都是電能生物。食物中的電子跨越細胞壁產生電場，促使三磷酸腺苷(ATP)這樣的供能分子被生產出來。最重要的是，電子在你大腦中的神經元之間流動，才使得你能夠閱讀和思考這些文字，並將它們轉化為長期記憶——如果它們足夠有趣的話！